UNIVERSIDAD SAN FRANCISCO DE QUITOrepositorio.usfq.edu.ec/Bitstream/23000/4163/1/113633.PdfLa...

UNIVERSIDAD SAN FRANCISCO DE QUITO

Colegio de Ciencias e Ingeniería

Análisis de la Rentabilidad de la Producción de Biol en la Planta

de Digestión Anaerobia de Latinoamericana de Jugos S.A

Marlon Esteban García Fernández

Dr.-Ing., Daniela Almeida Streitwieser, Directora

de Tesis

Tesis de grado presentada como requisito para la

obtención del título de Ingeniero Químico

Quito, mayo de 2015

Universidad San Francisco de Quito

Colegio de Ciencias e Ingeniería, Politécnico

HOJA DE APROBACIÓN DE TESIS

Análisis de la Rentabilidad de la Producción de Biol en la Planta de

Digestión Anaerobia de Latinoamericana de Jugos S.A.

Marlon Esteban García Fernández

Dr.-Ing., Daniela Almeida Streitwieser

Directora de Tesis _______________________________

David Egas, Ph.D.

Miembro del Comité de Tesis _______________________________

Ing. Diana Vargas

Miembro de Comité de Tesis _______________________________

Ximena Córdoba, Ph.D.

Decana de la Escuela de Ingeniería

Colegio de Ciencias e Ingeniería _______________________________

Quito, mayo de 2015

© DERECHOS DE AUTOR

Por medio del presente documento certifico que he leído la Política de Propiedad

Intelectual de la Universidad San Francisco de Quito y estoy de acuerdo con su

contenido, por lo que los derechos de propiedad intelectual del presente trabajo de

investigación quedan sujetos a lo dispuesto en la Política.

Asimismo, autorizo a la USFQ para que realice la digitalización y publicación de este

trabajo de investigación en el repositorio virtual, de conformidad a lo dispuesto en el

Art. 144 de la ley Orgánica de Educación Superior.

Firma:

__________________________________

Nombre: Marlon Esteban García Fernández

C.I.: 1717348377

Fecha: Quito, Mayo 2015

5

Agradecimientos

A Dr.-Ing. Daniela Almeida, Directora de Tesis por liderar este proyecto y por

su apoyo durante mi carrera de Ingeniería Química en la USFQ.

A los miembros del Comité de Tesis por su aporte y revisión de la presente

investigación.

A mis padres Carlos y Pilar por todo el apoyo brindado en mi vida personal y

estudiantil.

A mis hermanos Madeleine y Carlos por estar ahí en cada paso de mi vida.

A cada uno de los miembros de mi familia, los cuales siempre han estado

pendientes y atentos a cualquiera de mis necesidades. Y en especial a mi abuelita que

ahora nos cuida desde el cielo.

A Sebastián Navas y cada uno de los que ya no están en este mundo, pero sé que

me siguen vigilando desde donde estén.

Al personal docente del Departamento de Ingeniería Química, a todos mis

amigos los cuales no alcance a nombrar en tan corto espacio, en especial a David

Revelo y a María Belén Álvarez, por ser un empuje durante mi formación como

Ingeniero Químico.

6

Resumen

El presente proyecto se enfoca en el análisis de rentabilidad de producción de biol

proveniente del proceso de biodigestión anaerobia de la planta semi-industrial ubicada

en Latinoamericana de Jugos S.A. por medio de la evaluación de la composición del

biol. El fertilizante líquido obtenido es una alternativa en el uso de insumos agrónomos,

debido a que presenta diversas mejoras sobre los fertilizantes químicos convencionales.

La característica más importante es una absorción de nutrientes rápida, lo cual evita

perdidas por escorrentía. La presencia de ácidos húmicos sirven como abono natural de

fácil acceso a la planta y la simbiosis desarrollada por los microorganismos presentes.

En el primer paso se realiza el análisis del estado inicial del proceso por medio del

control de diferentes parámetros. Para conocer los diferentes factores de operación que

han alterado la estabilidad del reactor se evalúa la producción de biogás y la

concentración de metano en el mismo con datos recopilados durante la operación

continua de la planta por 11 meses. Además se analizan muestras en cuatro diferentes

puntos dentro del proceso: la mezcla de alimentación, el biol producido del proceso, y la

mezcla de reacción en la parte superior y en la parte inferior del reactor. En los cuatro

puntos del proceso se realizan análisis de DQO, pH, TS, oTS, TSS, VSS, Alcalinidad y

AGV. Estos resultados sirven para evaluar el estado inicial del proceso.

Se buscan diferentes alternativas para estabilizar el proceso, como por ejemplo poner en

funcionamiento todo el sistema de uso de biogás y potenciar el biol obtenido. Para ello

se realiza un análisis de fitohormonas, con el cual se demuestra la presencia de

Giberalinas dentro del producto. Se determinó la concentración total de nutrientes

dentro del biol y se los comparó con una marca de biol comercial expendida en el

mercado para conocer si existen deficiencias en algún macro nutriente.

Para la implementación del sistema de utilización de biogás se evaluaron los diferentes

equipos como compresor, bala de almacenamiento de biogás, calefón, caldero,

intercambiadores de calor, generador eléctrico y llama piloto. Para asegurar que cada

equipo funcione, se implementó un equipo temporal de recolección de biogás.

Adicionalmente, se emplea un tanque de gas licuado de petróleo (GLP) para constatar el

correcto funcionamiento de los equipos de generación de energía. Una vez realizadas

estas pruebas se encontró que tanto el caldero como la llama piloto no se encuentran

operando de forma correcta por falta de mantenimiento. Por otro lado, el generador

eléctrico puede operar con biogás si se logra acumular y concentrar suficiente metano.

El calefón opera sin ningún tipo de contratiempos.

7

Abstract

This project focuses on the analysis of profitability of bio production obtained from the

anaerobic bio-digestion semi-industrial process plant located in Latinoamericana de

Jugos S.A. by evaluating the composition of biol. This liquid fertilizer is an alternative

to the use of agronomic inputs, because biol has various advantages over conventional

chemical fertilizers. The most important advantage is the quick absorption of its

nutrients, which prevents runoff losses, and the presence of humic acids serves as easy

access natural carbon source to the plant, and the symbiosis developed by the

microorganism present in the liquid fertilizer. The first step is the analysis of the initial

state of the process through the control of various parameters. To determine the various

factors that have altered the stability of the reactor, the biogas production and the

methane concentration are evaluated with data from continuous operation of the plant

during 11 months. In addition, samples are tested at four different points of the process:

the feed mixture, the produced biol, and the reaction mixture in the top and botton of the

reactor. And the values for COD, pH, TS, oTS, TSS, VSS, alkalinity and VFA are

obtained to assess the initial state of the process.

There are some alternatives to stabilize the process such as, the successful operation of

the biogas system and to enhance the biol obtained. For the second alternative, an

analysis of phytohormones neede to be performed, and the results shows presence of

gibberellins. The total concentration of nutrients in the biol was determined and

compared with a product already expended in the market, to find out if there are any

nutrient deficiencies.

To implement the system of use of biogas the different equipments such as biogas

compressor, bullet of biogas storage, heating, boiler, heat exchangers, electric generator

and evaluated pilot flame. To ensure that each equipment work, a temporary gas

collection equipment was implemented. Additionally, a tank of liquefied petroleum gas

(LPG) is used to prove the successful operation of the power generation equipments. It

was found that the pot and the pilot are not operating properly, and is because they need

regular maintenance. The generator can operate with biogas if it could be provited with

enough pressure and concentration of methane. The water heater operates without any

problems.

8

Tabla de Contenido

Resumen .................................................................................................................... 6

Abstract ...................................................................................................................... 7

1. Introducción .................................................................................................. 14

1.1. Antecedentes ............................................................................................. 14

1.2. Justificación .............................................................................................. 15

1.3. Objetivos ................................................................................................... 16

1.3.1. Objetivo general ................................................................................. 16

1.3.2. Objetivos específicos ......................................................................... 16

2. Fundamentos Teóricos ................................................................................. 17

2.1. Optimización de procesos ........................................................................ 17

2.2. Digestión anaerobia .................................................................................. 18

2.3. Condiciones de operación del proceso .................................................... 21

2.3.1. Temperatura ........................................................................................ 22

2.3.2. pH ........................................................................................................ 23

2.3.3. Composición de la alimentación ....................................................... 24

2.3.4. Tiempo de retención .......................................................................... 25

2.3.5. Agitación y mezcla............................................................................. 26

2.4. Productos de la digestión anaeróbica ...................................................... 27

2.4.1. Composición y aplicaciones del biogás ............................................ 27

2.4.2. Biol ...................................................................................................... 29

2.5. Fitohormonas ............................................................................................ 31

2.5.1. Auxinas ............................................................................................... 32

2.5.2. Citoquininas ........................................................................................ 34

2.5.3. Giberalinas .......................................................................................... 37

2.5.4. Etileno ................................................................................................. 40

2.6. Caracterización de la materia prima y productos ................................... 41

9

2.6.1. Sólidos totales (TS) ............................................................................ 42

2.6.2. Sólidos volátiles (oTS)....................................................................... 42

2.6.3. Sólidos suspendidos totales (TSS) .................................................... 42

2.6.4. Sólidos suspendidos volátiles (VSS) ................................................ 43

2.6.5. Demanda química de oxígeno (DQO) .............................................. 43

2.6.6. Carga orgánica volumétrica (COV) .................................................. 44

2.6.7. Relación carbono – nitrógeno (C/N) y carbono – fósforo (C/P) ..... 45

2.6.8. Alcalinidad.......................................................................................... 45

2.6.9. Ácidos grasos volátiles (AGV) ......................................................... 46

2.6.10. Análisis de macro y micro nutrientes ............................................. 46

3. Métodos Experimentales .............................................................................. 49

3.1. Descripción de la planta semi-industrial de digestión anaeróbica......... 49

3.2. Descripción de la operación del biodigestor ........................................... 51

3.2.1. Caracterización y obtención de la materia prima ............................. 51

3.2.2. Operación y monitoreo de la planta semi-industrial ........................ 52

3.2.3. Procesamiento del biogás .................................................................. 55

3.3. Análisis físico – químicos ........................................................................ 57

3.3.1. Medidor de pH ................................................................................... 57

3.3.2. Sólidos totales..................................................................................... 58

3.3.3. Sólidos totales orgánicos ................................................................... 59

3.3.4. Sólidos suspendidos totales ............................................................... 60

3.3.5. Sólidos suspendidos volátiles ............................................................ 61

3.3.6. Demanda química de oxígeno (DQO) .............................................. 62

3.3.7. Nitrógeno ............................................................................................ 63

3.3.8. Fósforo ................................................................................................ 64

3.3.9. Alcalinidad.......................................................................................... 64

3.3.10. Ácidos grasos volátiles (AGV) ....................................................... 65

10

3.3.11. Análisis de macro-nutrientes y micro-nutrientes ........................... 67

3.3.12. Análisis de fitohormonas ................................................................. 68

3.3.13. Caracterización biogás ..................................................................... 70

3.4. Cálculos para la producción y degradación específica .......................... 71

4. Resultados y Discusión ................................................................................ 75

4.1. Evaluación general del proceso ............................................................... 75

4.2. Análisis de operatividad de la planta....................................................... 76

4.3. Análisis de estabilidad del proceso ........................................................ 77

4.3.1. Ácidos grasos volátiles y alcalinidad ................................................ 79

4.3.1. Análisis de demanda química de oxígeno ........................................ 81

4.3.2. Sólidos totales y sólidos orgánicos totales ....................................... 82

4.3.3. Sólidos suspendidos totales y sólidos suspendidos volátiles........... 86

4.3.4. Producción de biogás ......................................................................... 88

4.3.5. Macro-nutrientes y micro-nutrientes................................................. 89

4.4. Interpretación y evaluación de resultados ............................................... 90

4.4.1. Balance de masa ................................................................................ 91

4.4.2. Producción específica de biogás ....................................................... 92

4.5. Implementación de sistema de utilización energética de biogás ........... 94

4.6. Comparación del biol con una marca comercial ................................... 99

4.7. Resultados obtenidos en fitohormonas.................................................. 103

5. Conclusiones y Recomendaciones ............................................................ 108

Bibliografía ............................................................................................................ 110

6. Anexos ........................................................................................................ 114

11

Lista de Tablas

Tabla 2.1: Composición promedio del biogás (21) .............................................. 28

Tabla 2.2: Componentes generales del biol (24) .................................................. 30

Tabla 2.3: Valores de macro y micro nutrientes dentro del biol (25) .................. 31

Tabla 2.4: Macronutrientes vegetales .................................................................... 47

Tabla 2.5: Micronutrientes esenciales en las plantas ............................................ 48

Tabla 4.1: Porcentaje de materia orgánica ............................................................ 85

Tabla 4.2: Materia inorgánica presente en el reactor ............................................ 87

Tabla 4.3: Biomasa dentro del proceso ................................................................. 88

Tabla 4.4: Análisis de nutrientes ............................................................................ 90

Tabla 4.5: Balance de masa y degradación específica .......................................... 91

Tabla 4.6: Producción específica ........................................................................... 93

Tabla 4.7: Pruebas de funcionamiento en equipos de uso de biogás ................... 98

Tabla 4.8: Descripción de marca comercial .......................................................... 99

Tabla 4.9: Macro y micro nutrientes para la marca comercial ........................... 101

Tabla 4.10: Nutrientes dentro del biol ................................................................. 101

Tabla 4.11: Detalle de picos encontrados en el análisis de estándares y biol ... 104

Tabla 4.12: Determinación de la concentración de giberalinas ......................... 106

12

Lista de Figuras

Figura 2.1: Fases de la digestión anaerobia (11) .................................................. 21

Figura 2.2: a)Aminoácido original y b)auxina resultante ..................................... 33

Figura 2.3: Ácido Indolbutírico (IBA)................................................................... 34

Figura 2.4: Adenina y Zeatina ................................................................................ 35

Figura 2.5: Florclorfenuron (CPPU) y Tidiazuron ............................................... 36

Figura 2.6: Formas estructurales de las giberalinas .............................................. 39

Figura 2.7: Ácido Giberélico A3 ............................................................................ 40

Figura 2.8: Proceso biológico de formación de etileno ........................................ 41

Figura 3.1: Diagrama de bloque del proceso de digestión anaeróbica ................ 55

Figura 3.2: Medidor de pH ..................................................................................... 58

Figura 3.3: a) Reactor HACH DRB 200, b) Colorímetro HACH DR/890 ......... 63

Figura 3.4 GC-MS Shimadzu QP2010 .................................................................. 69

Figura 4.1: pH con respecto a la fecha de operación ............................................ 79

Figura 4.2: Análisis de alcalinidad y AGV con respecto al tiempo ..................... 80

Figura 4.3: DQO en función del tiempo ................................................................ 82

Figura 4.4: Análisis de sólidos totales a la entrada y salida del proceso ............. 83

Figura 4.5: Análisis de homogeneidad dentro del reactor .................................... 84

Figura 4.6: Determinación de M.O por análisis de sólidos .................................. 85

Figura 4.7: Producción de biogás en función del tiempo ..................................... 89

Figura 4.8: Remoción específica de DQO ............................................................. 92

Figura 4.9: Producción específica .......................................................................... 94

Figura 4.10: Sistema de recolección temporal de biogás ..................................... 95

Figura 4.11: Esquema del sistema de recolección temporal de biogás................ 95

Figura 4.12: Gasómetro de biogás provisional ..................................................... 97

Figura 4.13: Prueba de fugas en la bala de biogás ................................................ 98

Figura 4.14: Estándar del espectro de masas del ácido giberélico (GA3) (36) . 105

Figura 4.15: Espectro de masas para el pico obtenido en la muestra de biol .... 106

13

Lista de Ecuaciones

Ecuación 2.1: Metanogénesis acética ......................................................................... 19

Ecuación 2.2: Metanogénesis regenerativa ................................................................ 20

Ecuación 2.3: Tiempo de retención ............................................................................ 26

Ecuación 2.4: Reformación por dióxido de carbono ................................................. 29

Ecuación 2.5: Reformación por medio de agua ......................................................... 29

Ecuación 2.6: Oxidación parcial ................................................................................. 29

Ecuación 2.7: Reacción de DQO ................................................................................ 44

Ecuación 3.1: Reducción del ácido sulfhídrico .......................................................... 56

Ecuación 3.2: Oxidación del sulfuro de hierro........................................................... 56

Ecuación 3.3: Determinación de TS ........................................................................... 59

Ecuación 3.4: Cálculo de densidad ............................................................................. 59

Ecuación 3.5: Cálculo de oTS ..................................................................................... 60

Ecuación 3.6: Cálculo de TSS ..................................................................................... 61

Ecuación 3.7: Cálculo de VSS .................................................................................... 62

Ecuación 3.8: Cálculo de alcalinidad.......................................................................... 65

Ecuación 3.9: Cálculo de AGV ................................................................................... 66

Ecuación 3.10: Balance de masa ................................................................................. 72

Ecuación 3.11: Tiempo de residencia ......................................................................... 72

Ecuación 3.12: Flujo volumétrico total ...................................................................... 73

Ecuación 3.13: Flujo másico de la alimentación........................................................ 73

Ecuación 3.14: Flujo másico ....................................................................................... 73

Ecuación 3.15: Producción específica ........................................................................ 74

Ecuación 3.16: Remoción específica .......................................................................... 74

Introducción 14

1. Introducción

1.1. Antecedentes

El uso de recursos no convencionales para la obtención de energía es uno de los temas

de investigación que ha tenido una gran expansión en las últimas décadas. Tomando en

cuenta que el objetivo principal es emplear fuentes de energía alternativas a los

combustibles fósiles, buscando optimizar al mismo tiempo el uso de recursos

renovables. Este requerimiento surge como una alternativa a las diferentes fuentes de

combustibles, las cuales son no renovables y, por tanto, un recurso limitado.

Simultáneamente, el crecimiento demográfico que ha tenido el planeta ha llevado a un

consumo excesivo de recursos, los cuales generan cantidades de residuos que no pueden

asimilarse por los ciclos naturales. El problema en el manejo de residuos sólidos se va

agravando día tras día, y mantiene tres frentes a considerar: de carácter jurídico centrada

en la organización y planificación de la gestión de los residuos sólidos, la evolución de

la producción y composición de los residuos sólidos y, finalmente, la evolución de las

técnicas de gestión de residuos urbanos (1).

En estudios previos realizados en el Laboratorio de Energías Alternativas de la

Universidad San Francisco de Quito (LaDEA USFQ) se investigó la digestión anaerobia

de los desechos de fruta generados en la fábrica La Jugosa S.A. a escalas de laboratorio

y planta piloto. Posteriormente, se construyó en el 2012 la planta semi-industrial de

digestión anaerobia en las instalaciones de “La Jugosa” en el marco del programa

InnovaEcuador financiado por el Ministerio de Coordinación de Producción, Empleo y

Competitividad (MCPEC). InnovaEcuador es un programa que apoya la innovación

empresarial y sectorial, para así diversificar los sectores productivos. Dentro de este

programa se han planteado dos líneas de apoyo, la primera centra su base en la

Introducción 15

innovación productiva mediante la introducción de un nuevo producto, mientras que la

segunda se basa en la mejora significativa de un producto, bien o servicio. Las dos

líneas de apoyo se han denominada InnovaEmpresa e Innova Conocimiento,

respectivamente (2).

La planta semi-industrial de digestión anaerobia inició su operación en Abril del 2013,

pero su operación no ha alcanzado el nivel óptimo de producción. Por lo que siguen

pendientes algunos trabajos de optimización. El biol producido tampoco se ha logrado

comercializar a los agricultores. Las pruebas han mostrado su beneficio, pero no se ha

logrado generar una demanda del producto por parte de los agricultores.

1.2. Justificación

El manejo de desechos sólidos cerca de las áreas urbanas genera una gran cantidad de

malestar en la población aledaña debido a la generación de olores. En consecuencia se

han buscado opciones que permitan acelerar el proceso de degradación de los desechos

y al mismo tiempo sacar el mayor provecho a los desperdicios. Sin dejar de lado el

correcto manejo para evitar cualquier tipo de riesgo ambiental (1).

La digestión anaerobia se la puede describir como la transformación biológica de

compuestos orgánicos por medio de microorganismos. Entre estos microorganismos se

encuentran bacterias metanogénicas, las cuales son anaerobias y se caracterizan por la

producción de metano. Sin embargo, durante la degradación también se genera dióxido

de carbono. La mezcla de estos dos gases se conoce como biogás. El biogás es uno de

los responsables del efecto invernadero y, por lo tanto, su aprovechamiento energético y

la disminución en su emisión al ambiente se han vuelto muy interesantes (3).

Esta tesis trata la optimización del proceso de digestión anaerobia de la planta ubicada

en Latinoamericana de Jugos S.A, la cual ya ha atravesado las etapas de diseño,

Introducción 16

construcción y puesta en marcha. Adicionalmente, se busca poner en pleno

funcionamiento el sistema de utilización de biogás, con el fin de generar tanto energía

térmica como eléctrica. En este estudio se desea investigar la operación de la planta y

obtener la productividad máxima del sistema, conociendo sus límites de operación y

bajo los cuales no se tendrán pérdidas energéticas.

El procedimiento ejecutado para el desarrollo de este estudio consta de una evaluación

previa de la situación actual de la planta, con la cual se busca corregir errores durante la

operación que permitan estabilizar la producción de biogás y potenciar el biol obtenido

por medio de la adición de componentes externos y evaluar sus propiedades para

hacerlo más atractivo al mercado. A continuación se va a evaluar el funcionamiento de

los diferentes equipos que componen el sistema de uso energético de biogás dentro de la

planta. Todo con el objetivo de hacer la operación de la planta económicamente

rentable.

1.3. Objetivos

1.3.1. Objetivo general

Hacer la producción de biol en la planta semi-industrial de digestión anaerobia en

Latinoamericana de Jugos S.A. comercialmente rentable por medio de control en la

operación y evaluación de la composición.

1.3.2. Objetivos específicos

Realizar una evaluación previa sobre el estado operacional de la planta.

Analizar la composición actual y deseada del biol que promuevan la

comercialización del producto y lo conviertan atractivo para el mercado.

Evaluar los equipos energéticos de uso de biogás para optimizar la operación de

la planta.

Fundamentos Teóricos 17

2. Fundamentos Teóricos

2.1. Optimización de procesos

Optimizar un proceso es la búsqueda e implementación de mejoras al rendimiento de un

sistema operativo. Esto se logra por medio del conocimiento de los factores más

influyentes dentro del proceso y la determinación de condiciones óptimas de operación.

Una vez que se logren determinar dichos factores, se busca la viabilidad de

implementarlos dentro de un proceso que se encuentre en funcionamiento. Todo esto,

con el objetivo de obtener un producto final de mejor calidad y en mayor cantidad.

Aunque se suele incluir temas de optimización de tiempos de operación y recursos

disponibles dentro de este esquema. Muchos de los procesos de optimización se logran

por medio de la estabilización del proceso (4).

Independientemente del número de variables que se deban controlar en un sistema, se

deben encontrar e implementar los instrumentos necesarios para que la variabilidad del

proceso disminuya de forma significativa. Muchas de las variables dentro de un proceso

se encuentran estrechamente relacionadas y se deben estabilizar las condiciones de

operación de manera que todas concuerden con el objetivo planteado. Por lo tanto, es

necesario monitorear, analizar y controlar de manera individual a todas las variables en

las diferentes etapas de un proceso, al igual que los productos obtenidos (5).

Para poder llegar a un proceso óptimo, es necesario caracterizar y conocer la materia

prima, determinar los equipos con mayor eficiencia para el proceso, analizar y controlar

de forma individual todas las etapas y sus respectivas variables. Toda esta información

integrada es la que permite optimizar un proceso, por medio de un seguimiento efectivo

y eficaz de todo el sistema operativo; lo cual incluirá controlar tiempos de operación y

manejo de recursos (4).


2.2. Digestión anaerobia

La digestión anaerobia es un proceso de fermentación microbiana en un medio ausente

de oxígeno, la cual descompone materia orgánica para formar como productos una

mezcla de gases conocido como biogás y una suspensión acuosa denominada biol. El

biogás está compuesto por dos componentes mayoritarios: metano (CH4) y dióxido de

carbono (CO2). Los componentes minoritarios son: nitrógeno (N2), oxígeno (O2),

hidrógeno (H2) y sulfuro de hidrógeno (H2S). El biol es un fertilizante orgánico que

contiene micro-nutrientes y macro-nutrientes necesarios para mejorar las propiedades de

suelos agrarios. Esta clasificación de los nutrientes se da debido a la cantidad que

necesita la planta para mantener su funcionalidad. Los macronutrientes se emplean

como sustratos en el proceso metabólico de las plantas y, por lo tanto, se consumen en

mayor cantidad que los micronutrientes, los cuales son empleados simplemente como

reguladores dentro del proceso (6). Este proceso biológico se divide en cuatro etapas:

hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis (7). Cada una de las etapas

mencionadas ocurre por diferentes colonias de microorganismos de forma paralela en

un reactor de operación continua (8).

La hidrólisis busca despolimerizar a compuestos orgánicos complejos, tales como

lípidos, proteínas e hidratos de carbono. Esta acción se lleva a cabo por bacterias

proteolíticas y celulolíticas, las cuales actúan en moléculas solubles de fácil degradación

como azúcares, ácidos grasos de cadena larga, aminoácidos, alcoholes, etc. Con lo cual

se obtiene como producto final monómeros de fácil uso para las siguientes etapas (9).

La acidogénesis es llevada a cabo por las bacterias acidogénicas, las cuales convierten

los productos de la hidrólisis en sustratos metanogénicos. Estos sustratos son

principalmente (70%) CO2, H2, ácido acético (CH3COOH), y en menor proporción

(30%) una mezcla de ácidos grasos volátiles (AGV) y alcoholes. Los principales AGV


son: el ácido propiónico, el ácido butírico y el ácido valérico (8). En esta etapa la

degradación de la materia orgánica disuelta no es muy significativa. Los

microorganismos de esta etapa se caracterizan por ser de rápido crecimiento, resistentes

al medioambiente, y con mayor actividad a niveles de pH ligeramente ácidos. Algunas

de las especies que pueden intervenir en el proceso son: Enterobacterias, Streptococos,

Lactobacillius, entre otros (9).

La acetogénesis produce sustratos metanogénicos por medio de bacterias especializadas

a partir de los productos obtenidos en la etapa anterior. Los ácidos grasos volátiles y los

alcoholes son oxidados en sustratos como ácido acético, H2 y CO2. En esta etapa se

encuentran presentes de igual manera bacterias homoacetogénicas, las cuales tienen

como función producir ácido acético a partir de H2 y CO2. Esta etapa se puede inhibir en

concentraciones altas de H2, lo cual se puede evitar con la presencia de bacterias

metanogénicas, las cuales empleen el H2 para producir CH4. Los principales grupos de

bacterias acetanogénicas son: Syntrophobacter (descompone el ácido propinóico) y el

Syntrophomonas (descompone el ácido butírico y valérico) (9).

En la metanogénesis se pueden distinguir dos procesos diferentes para la formación de

CH4. Cerca del 80% del metano producido se forma a partir del ácido acético o algún

ácido orgánico volátil. El restante (20%) proviene a partir de hidrógeno molecular (H2)

y dióxido de carbono (CO2), reducción de alcoholes u otros compuestos intermediarios

(10). Los dos sistemas de reacción más importantes se presentan a continuación:

243 COCHCOOHCH

Ecuación 2.1: Metanogénesis acética


OHCHHCO 2422 24

Ecuación 2.2: Metanogénesis regenerativa

La primera etapa de formación de metano se realiza a partir de ácido acético, empleando

para ello bacterias metanogénicas acetoclásticas, como se muestra en la reacción de la

Ecuación 2.1. La segunda forma de obtención de metano es a partir del consumo de

hidrógeno la cual se puede observar en la Ecuación 2.2, utilizando microorganismos

metanogénicos hidrogenófilos, pertenecientes a los géneros Methanobacterium,

Methanococos y Methanogenium (9).

Las diferentes etapas de la digestión anaerobia se resumen en la Figura 2.1. Dentro de la

misma se reconocen las transformaciones por las que pasa la materia orgánica hasta la

producción de metano. Las diferentes poblaciones bacterianas que intervienen en cada

uno de los procesos se encuentran descritas de igual forma. Se debe tomar en cuenta que

las diferentes etapas se llevan a cabo de forma paralela. Sin embargo, la producción o

uso de los diferentes sustratos promueve a que existan periodos en los cuales una de las

etapas predomina sobre las demás.


Figura 2.1: Fases de la digestión anaerobia (11)

1. Bacterias hidrolíticas

2. Bacterias acidogénicas

3. Bacterias acetanogénicas

4. Bacterias homoacetanogénicas

5. Bacterias metanogénicas hidrogenófilas

6. Bacterias metanogénicas acetoclásticas

2.3. Condiciones de operación del proceso

El equilibrio entre los diferentes grupos de bacterias que trabajan dentro de la

biodigestión anaerobia es sumamente sensible a cambios dentro del proceso. Debido a

esto, es necesario el control de diversos parámetros para poder lograr una operación

óptima y eficiente con respecto a la producción de biogás.

CH4 + CO2

1 1

2

Carbohidratos Proteínas Lípidos

Aminoácidos y Azúcares Aminoácidos y Azúcares

Productos intermedios(Acidos: Propinóico, Butírico, etc)

Ácido Acético H2 + CO2

2 1 1

3

4

56

Hidrólisis

Acidogénesis

Acetanogénesis

Metanogénesis

Materia Orgánica

2


2.3.1. Temperatura

La temperatura de operación es el factor más importante dentro del proceso de

digestión. Esta variable es la principal reguladora del crecimiento bacteriano,

responsable de la degradación de materia orgánica y de la producción de gas en el

proceso por lo cual define el tiempo de retención y el volumen de reacción (12).

Si bien el rango de temperaturas al cual puede trabajar un biodigestor varía desde 10°C

hasta 65°C, es necesario mantener una temperatura estable en el transcurso del proceso,

debido a que cambios bruscos pueden ocasionar una disminución del crecimiento

bacteriano y afecta el equilibrio de los diferentes microorganismos. Se han identificado

tres rangos de temperatura en los cuales los microorganismos anaerobios trabajan en

condiciones óptimas: la psicrofília (debajo de 25°C), la mesofilia (entre 25 y 45°C) y la

termofilia (entre los 45 y 65°C). Fuera de estos rangos de temperatura se tiene el peligro

de muerte celular o inhibición del proceso (12). Además, el tiempo de reposición de las

bacterias metanogénicas puede verse afectado por un cambio de condiciones; lo cual

puede ocasionar un descenso de pH y la reducción de la producción de biogás, lo cual se

traduce en un mal funcionamiento del reactor (13).

El régimen más utilizado para diversos procesos anaeróbicos es el mesofílico debido a

que en este rango de temperaturas la producción de biogás es alta y no es necesario

emplear todo el biogás en calentar el sistema. Dando un balance energético positivo y

convirtiéndolo en el rango ideal al momento de construir un biorreactor.

El rango psicrofílico es uno de los menos estudiados y por ello se tiene poco

conocimiento. Esto se debe a que la producción de biogás es baja y el volumen de

reacción requerido es sumamente grande. Sin embargo, se caracteriza por tener menores

problemas de estabilidad (14).


El rango termofílico se caracteriza por tener la mayor producción de biogás,

disminución del tiempo de retención y menor volumen de reacción, además elimina los

microorganismos patógenos. Los problemas que presenta este rango de temperatura son:

uso de gran cantidad de energía, problemas de inestabilidad a cambios en las

condiciones de operación y posible inhibición del proceso por producción de

subproductos tóxicos (12).

Los problemas de inestabilidad se pueden presentar en cualquiera de los rangos de

temperatura mencionados, y estos provienen de cambios bruscos de temperatura. Por lo

cual es de suma importancia que una vez seleccionada la temperatura de operación, se la

mantenga constante. Las temperaturas más recomendadas para la operación de un

biodigestor son 36°C en el régimen mesofílico y 55°C en el rango termofílico (13).

2.3.2. pH

Cada grupo bacteriano tiene su mayor actividad en un determinado rango de pH. Para

las bacterias hidrolíticas se encuentra entre 7,2 a 7,4, para las acetogénicas entre 7,0 a

7,2, para las accidogénicas se encuentra alrededor de 6 y las metanogénicas están entre

6,5 a 7,5 (15). De esta manera se encuentra que el rango óptimo de operación para un

biodigestor estaría entre 6,5 y 7,5.

Mantener un adecuado valor de pH es necesario debido a que fuera del rango definido la

degradación bacteriana se ve deteriorada, llegando incluso a detenerse la producción de

biogás. Al tener un pH inferior a 6,5 el porcentaje de metano en el biogás disminuye, lo

cual hace que bajen las cualidades energéticas, cuando se llegan a valores inferiores a 5

se genera de forma mayoritaria la forma no ionizada de ácido acético, inhibidor del

mecanismo de degradación del propianato (14). Esto se traduce en una sobrecarga de

materia orgánica (16). Mientras que un valor de pH sobre 7,5 provoca una mayor


formación de amoniaco, el cual en concentraciones elevadas actúa como inhibidor del

crecimiento microbiano.

Durante la operación del biodigestor se puede observa un descenso de pH, debido

principalmente a un desequilibrio en el consumo y la producción de ácidos grasos

volátiles. Se pueden emplear medidas correctivas para la acidificación. La más simple

es detener la alimentación o aligerar la carga orgánica de la alimentación por el tiempo

suficiente hasta que el valor regrese al rango de operación deseado. Esto se logra debido

a que la actividad bacteriana se hace más lenta, en especial la etapa de acetogénesis la

cual se encarga de la producción de ácidos. Permitiendo que las bacterias de

metanogénicas reduzcan la concentración de ácidos por medio de la producción de

metano, elevando el valor de pH de la mezcla. Otro método de regulación del pH

consiste en la adición de sustancias buffer tal como: cal viva (CaO), cal apagada

(Ca(OH)2), carbonato de calcio (CaCO3), carbonato de sodio (Na2CO3), bicarbonato de

sodio (NaHCO3) e hidróxido de sodio (NaOH). Este método evita la necesidad de

disminuir la carga o detener el biodigestor (13).

En la operación del biodigestor, cuando se tiene un valor de pH mayor a 8 se lo puede

controlar con la adición de ácido acético para reducir la formación de amoniaco y

favorecer la formación del ión amonio (17). Sin embargo esto no se presenta muy

seguido en los reactores de digestión anaerobia.

2.3.3. Composición de la alimentación

Las fuentes de materia orgánica para un proceso de degradación anaerobia son muy

diversas. Entre ellas se pueden tener en cuenta excretas de diferentes fuentes, aguas

residuales, desechos de cosecha o diferentes tipos de desechos orgánicos. Sin embargo,


de forma imperativa la alimentación debe tener una dilución adecuada para evitar el

exceso de sólidos, y tener una buena producción de biogás.

Otro factor importante es mantener una relación adecuada entre nutrientes para el

crecimiento bacteriano. Uno de los indicadores más importantes es la relación carbono-

nitrógeno (C-N), el cual se debe mantener en una relación entre 15:1 y 45:1. Relaciones

menores provocan una disminución en la velocidad de degradación y relaciones

mayores generan problemas de inhibición. Otro indicador importante es la relación

carbono-fósforo (C-P), cuya relación recomendable es entre 150:1. Para

concentraciones de fósforo superiores a la relación establecida se corre el riesgo de

intoxicar el medio de reacción, no obstante valores inferiores en la concentración del

fósforo no son relacionados con problemas de inhibición (11).

Además de fuentes de carbono, nitrógeno y fosforo los microorganismos requieren de

otros tipos de elementos, presentes como sales minerales en equilibrio como: azufres,

potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso, molibdeno, zinc, cobalto selenio,

tungsteno, níquel y otros en menores cantidades (18).

2.3.4. Tiempo de retención

El tiempo de retención, es el tiempo de permanencia de la materia orgánica dentro del

digestor (18). Este tiempo, en días, se considera desde la entrada al reactor hasta su

descarga. Se calcula por medio de la división del volumen útil del biodigestor para el

caudal volumétrico diario de alimentación. Este parámetro se lo define únicamente para

sistemas continuos o semi-continuos. El tiempo de retención depende del tipo de

sustrato y temperatura. Aquellos con mayor porcentaje de carbono retenido en

moléculas resistentes, requieren de mayores tiempos de retención para ser totalmente

digeridos (19). La relación con la temperatura es inversamente proporcional.


El tiempo de retención debe ser seleccionado de forma tal que no exista acumulación de

materia orgánica dentro del biodigestor. La dependencia con la temperatura de

operación se da a medida que al aumentar la temperatura, se acelera el proceso de

degradación de la materia orgánica. El tipo de alimentación también se encuentra

relacionado con el tiempo de retención, debido a que dependiendo de la degradabilidad

del mismo se tendrá mayores o menores tiempos de retención. El cálculo se lo puede

realizar por medio de la Ecuación 2.3.

v

V

Ecuación 2.3: Tiempo de retención

Donde,

Tiempo de retención [d]

Volumen del digestor [m3]

Caudal volumétrico diario de alimentación [m3/d]

2.3.5. Agitación y mezcla

La agitación es un factor importante para el funcionamiento óptimo del digestor. Esta

debe ser lo suficientemente fuerte como para asegurar una buena homogenización de la

mezcla reactiva, y al mismo tiempo debe tener cuidado de no dañar a los

microorganismos. Los efectos de tener una mezcla eficiente permiten que el sustrato

fresco esté en contacto con los microorganismos, que los metabolitos producidos por las

bacterias metanogénicas, principalmente gases, se liberen; y que la temperatura y la


densidad se mantengan uniformes. Además se previene la formación de espumas,

sedimentos y zonas muertas en el reactor.

2.4. Productos de la digestión anaeróbica

Los productos de la digestión anaeróbica son de beneficio a nivel industrial y para el

medio ambiente debido a que ayudan a disminuir la cantidad de basura que se arroja a

los rellenos sanitarios. Los productos obtenidos son biogás y biol. El bio es un

fertilizante orgánico que presenta la posibilidad de mejorar los suelos y de obtener un

mayor rendimiento en productos orgánicos. El biogás producido se puede emplear como

una fuente de energía de bajo costo (13).

2.4.1. Composición y aplicaciones del biogás

El biogás se compone de una mezcla de gases, producto de la degradación anaeróbica

de la materia orgánica. Los gases formados son producto de la metanogénesis: metano

(CH4) y dióxido de carbono (CO2). Seguidos en cantidad por aquellos productos de la

acetanogénesis: monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H2). Únicamente el metano

tiene la característica de combustible, al hidrógeno molecular no se lo toma en cuenta

debido a que su concentración es muy baja. También se encuentran trazas de sulfuros de

hidrógeno, agua, nitrógeno, hidrógeno y oxígeno (20).

La composición del biogás varía dependiendo del desecho que se emplee en la

alimentación. Esto se debe a que la composición físico-química y la cantidad de carbono

degradable son factores que inciden en la producción de biogás.

La composición común del biogás se puede ver en los datos de la Tabla 2.1. El valor

calorífico del biogás, dependiendo de su concentración de metano, varía entre 20-25 MJ

/ m3.


Tabla 2.1: Composición promedio del biogás (21)

Para poder emplear el biogás es necesario que pase por un sistema de purificación y sea

comprimido. La remoción del dióxido de carbono es necesaria para poder aumentar el

valor del aporte energético. De igual forma es necesario retirar el ácido sulfhídrico

(H2S) para evitar problemas de corrosión. Los remanentes de agua también deben ser

retirados.

Existen cuatro formas en las cuales se puede aplicar el biogás como un sustituto a los

combustibles fósiles: uso doméstico, generación de electricidad, producción de calor y

vapor, y síntesis de productos químicos (11). El uso doméstico se enfoca en la obtención

de calor por medio de calefones, calderas o cocinas, y electricidad en forma de

iluminación. Este gas puede provenir desde un biodigestor comunitario o un centro de

acopio común o en su defecto de biodigestores domésticos. Se debe recalcar que para la

formación de energía eléctrica se necesita quemar el biogás in situ en un generador

eléctrico de gas. La eficiencia energética que presenta la quema es de un 40%, el cual es

alto frente a otras fuentes de energía (22). Por otra parte la eficiencia en la obtención de

energía térmica esta alrededor de un 60% (22). Existen motores de ignición de gas que

cuentan con la adaptación de aprovechamiento térmico conocido como cogeneración,

por medio del cual la eficiencia total del proceso es: 40% para la formación de energía

eléctrica, 40% para la obtención de calor y 20% de pérdidas. Para su aplicación se


requiere que la pureza del metano suba al menos un 95% para poder cumplir con los

requerimientos de operación de los motores de ignición, calefones u otro mecanismo de

aprovechamiento energético. También es necesario eliminar patógenos o

microorganismos que puedan estar presentes, para reducir riesgos de contaminación

humana y daño de equipos. La principal causa de eliminación de patógenos se da debido

a que se pueden acumular en la entrada y al iniciar la combustión se desprende una

cantidad considerable de biogás sin quemar el cual es liberado directamente a la

atmósfera (22).

Otro de los usos del biogás es en la síntesis de compuestos químicos, uno de los

intereses más grandes se basa en la obtención económica de gas de síntesis. Los

procesos que se pueden emplear son reformaciones por medio de dióxido de carbono o

agua, y oxidación parcial. Las reacciones químicas se pueden observar en: Ecuación 2.4,

Ecuación 2.5 y Ecuación 2.6 (23).

224 22 HCOCOCH

Ecuación 2.4: Reformación por dióxido de carbono

224 3HCOOHCH

Ecuación 2.5: Reformación por medio de agua

224 22

1HCOOCH

Ecuación 2.6: Oxidación parcial

2.4.2. Biol

El biol es un gran producto fertilizante debido a que contiene nutrientes de origen

orgánico que pueden ser rápidamente asimilados por las plantas (21). Este producto está


constituido principalmente por la fracción orgánica que no es degradable de forma

anaeróbica. La constitución del mismo depende del tipo y cantidad de materia orgánica

utilizada para alimentar el biodigestor, así como del tiempo de retención. El biol es

superior a los fertilizantes obtenidos por medio de digestión aeróbica debido a que no

permite que existan pérdidas considerables de nutrientes por medio de escorrentía (9).

Esto se debe a la facilidad con la cual los diferentes nutrientes ingresan a la planta, lo

cual reduce el tiempo de absorción de nutrientes de forma considerable y de esta forma

se evitan perdidas. Además de ello, los diferentes microorganismos que contiene el biol

ayudan a una fijación mayor de los nutrientes disueltos en las plantas. En la Tabla 2.2 se

puede observar la composición de macronutrientes que posee el biol.

Tabla 2.2: Componentes generales del biol (24)

Por otra parte en la Tabla 2.3 se pueden observar valores de macro-nutirentes y micro-

nutrientes para un biol específico (25). Los valores descritos en ambas tablas pueden

variar dependiendo del material orgánico empleado, la carga alimentada al biodigestor y

de diversos factores de operación.

Componente Porcentaje en base seca [%]

Materia Orgánica 85

Nitrógeno 2-3

Fósforo 1-2

Potasio 1


Tabla 2.3: Valores de macro y micro nutrientes dentro del biol (25)

2.5. Fitohormonas

Dentro del desarrollo de fertilizantes se han identificado y desarrollado productos

nuevos conocidos como bioestimulantes, los cuales además de nutrientes contienen

compuestos químicos que ayudan al desarrollo de las plantas. Cada uno de los aditivos

tiene una funcionalidad distinta para diferentes etapas del proceso de cultivo (26). Los

compuestos químicos mencionados han sido reconocidos como fitohormonas.

Las fitohormonas también se conocen como hormonas vegetales. Estas sustancias se

producen de forma natural en partes y etapas estratégicas de la planta. Estas hormonas

son capaces de regular de manera predominante los fenómenos fisiológicos de las

plantas. Se debe tomar en cuenta que son solo producidas en cantidades pequeñas en los

tejidos vegetales, pero estas pueden actuar en el propio tejido en el cual se produjo o

bien ser trasladado por medio del xilema y floema a diferentes locaciones dentro de la

planta (6).

Una hormona interviene en varios procesos. Las funciones reguladoras que pueden

cumplir las hormonas más conocidas son: crecimiento de tallo y raíces, caída de las

hojas (senescencia), floración, formación de fruto y germinación. No obstante, el efecto

Compuesto Símbolo Concentración [mg/L]

Nitrógeno N 920

Fósforo P 112,8

Potasio K 860,4

Calcio Ca 112,1

Magnesio Mg 54,77

Cobre Cu 0,036

Manganeso Mn 0,075

Hierro Fe 0,82

Cobalto Co 0,024

Boro B 0,44

Selenio Se 0,019


fisiológico que se observa depende de la interacción de varias fitohormonas sobre un

mismo tejido. En varias ocasiones un mismo fitoquímico puede producir efectos

contrarios dependiendo del tejido donde actue. Estas variaciones se deben a la

interacción con diversos receptores, debido a que son los encargados de la transducción

de la señal para producir un cambio (27).

Las fitohormonas no solo funcionan para mejorar el crecimiento de una planta, sino

también para regular procesos de germinación. Aquellos compuestos que actúan como

agentes germinantes, por lo general, son responsables de obstruir un crecimiento

acelerado. Los productos fitoquímicos que se comercializan hoy en día son producidos

en su mayoría sintéticamente, lo cual ha permitido un mayor control sobre el desarrollo

de plantaciones (26).

Las fitohormonas se dividen en 4 grupos principales: auxinas, citoquinas, giberelinas y

etileno. En la actualidad, aún no se conoce el mecanismo preciso por el cual funcionan

ninguno de los compuestos clasificados como fitohormonas (27).

2.5.1. Auxinas

La principal acción que cumplen las auxinas es la elongación de las células. De forma

natural, se producen en las regiones cercanas al ápice de los tallos y se mueven por

medio de un gradiente de concentraciones hacia la base. El movimiento de las auxinas

se presenta por medio del traspaso de célula a célula, sin usar los conductos (xilema y

floema). La síntesis de auxinas se la relaciona con etapas de rápido crecimiento en

diferentes organismos vegetales como: plantas superiores, hongos y algas; incluso se la

relaciona con el desarrolló de bacterias.

El compuesto natural más abundante en la naturaleza es el ácido indolacético (IAA), el

cual proviene del aminoácido L-triptófano (Figura 2.2.a). Para la síntesis del IAA a


partir del aminoácido triptófano el grupo indol permanece constante, sin embargo este

debe pasar por una descarboxilación y una desaminación (28). En la Figura 2.2.b se

puede observar la estructura del IAA.

a) Aminoácido Triptófano b) Ácido Indolacético (IAA)

Figura 2.2: a)Aminoácido original y b)auxina resultante

Las auxinas se caracterizan por la presencia de un anillo cíclico, contando con al menos

un doble enlace y un grupo funcional carboxílico (COOH) u otro análogo. Las auxinas

pueden encontrarse en forma libre o ligadas a: azúcares, ésteres y amidas. Las

moléculas unidas son útiles si existe alguna manera sencilla de liberarlas. El compuesto

catalizador en el proceso de formación de auxinas es el Zinc (Zn) (28).

Se debe tomar en cuenta, que las auxinas aplicadas a los cultivos no se caracterizan por

su alta movilidad, debido a que una vez que ingresan a los tejidos se ligan a proteínas y

esto dificulta su traslado. Sus usos en la agricultura se pueden resumir en:

Fomentar la multiplicación asexual

Aumentar el amarre de frutos

Estimular el crecimiento de frutos

Facilitar la caída de frutos

Provocar la retención de frutos


Participar como herbicida (en concentraciones altas)

Cada uno de estos efectos depende de la molécula auxínica que se emplee, la

concentración en la cual se use y el lugar de aplicación. Existen condiciones diferentes

para el uso específico sobre determinado tipo de plantación. Lo cual quiere decir que la

misma auxina puede causar un efecto diferente dependiendo del tipo de planta (26).

La auxina artificial más empleada es el ácido indolbutírico (IBA), el cual es uno de los

compuestos artificiales más estables. Su estructura química se puede observar en la

Figura 2.3.

Figura 2.3: Ácido Indolbutírico (IBA)

2.5.2. Citoquininas

Este tipo de hormona promueve la división y diferenciación celular. La importancia de

las citoquininas radica en que las células vegetales son transformadas a otro tipo de

células específicas, con el fin de formar un órgano partícular como: raíces, hojas, flores

o frutos. No son las únicas en fomentar este proceso, más bien se encargan de causar el

efecto desencadenante. Además de ello, estos compuestos intervienen en la apertura de

estomas, supresión de la dominancia apical e inhibición de la senescencia de las hojas.

La dominancia apical, se refiere al desarrolló excesivo de la rama principal, en


comparación con el resto de ramificaciones (26). La senescencia se refiere al cambio

progresivo de un elemento. En el desarrollo de las plantas se emplea como una medida

del tiempo en el cual las hojas mudan de forma natural.

Las citoquininas naturales y artificiales se las puede diferenciar por medio de su

conformación química. La citoquininas naturales se conforman en base a la adenina

(Figura 2.4.a), mientras que los compuestos sintéticos son formados a partir de

fenilureas. La citoquinina natural más importante es la Zeatina debido a su mayor

abundancia, cuya estructura química se la puede observar en la Figura 2.4.b.

a) Adenina b) Zeatina

Figura 2.4: Adenina y Zeatina

Las citoquininas pueden definirse como moléculas derivadas de la adenina, con una

cadena lateral unida al grupo amino 6 del anillo purínico. La cadena lateral puede ser

isoprenoide o aromática. Las citoquininas sintéticas más conocidas son el CPPU (

b)Tidiazuron

Figura 2.5.a) y el tidiazuron (Figura 2.5.b), que actúan como análogos estructurales de

la molécula natural, con una actividad muy potente (27).


a) Florclorfenuron (CPPU)

b)Tidiazuron

Figura 2.5: Florclorfenuron (CPPU) y Tidiazuron

La formación de citoquininas se da en cualquier tejido vegetal, aunque en las raíces es

donde se produce la mayor cantidad de estas hormonas. Regularmente, la mayor

producción de citoquininas en una planta se da en sitios y tiempos de intenso desarrollo.

La aplicación externa de este grupo de hormonas en un determinado tejido, promueve

que el tejido auto-induzca la síntesis de citoquininas. Lo cual puede propagarse al resto

de la planta.

El transporte de estas fitohormonas se puede presentar por medio de los tejidos

conductores internos de la planta: xilema y floema. Lo cual le da una gran movilidad

dentro de la planta. El flujo preferencial de la fitohormona irá desde una reserva

abundante hacia un tejido demandante de la misma. Este efecto es visible con las

hormonas de origen natural, debido a que las sintetizadas presentan poca o nula

movilidad (27).


Las principales acciones de las citoquininas se pueden resumir en el control de:

Ciclo celular de reproducción

Diferenciación celular

Desarrolló de cloroplastos (formador de pigmentos fotosintéticos)

Dominancia apical

Senescencia foliar

Expansión de los cotiledones (entradas de luz en etapa de germinación)

La aplicación de citoquininas es cada vez más generalizada, debido a que la mayor parte

de los vegetales responden a su aplicación externa. La eficiencia de la respuesta, radica

en la etapa en la cual se encuentra la planta. Adicional a ello, para poder lograr una

respuesta eficiente la dosificación requerida es muy baja (26).

Los efectos más importantes dentro de una cosecha son:

Amarre de fruto.

Crecimiento de fruto.

Crecimiento vegetativo.

Desarrollo de yemas lateral (aumento de ramificaciones).

Mejora el proceso fotosintético promoviendo la formación y distribución

de fotosintatos.

Estimulan la germinación de semillas.

2.5.3. Giberalinas

Las giberalinas se producen en la zona apical, frutos y semillas. Las principales

actividades que ejerce son: interrupción del periodo de latencia de las semillas,


introducción del desarrollo de yemas y frutos, y la regulación del crecimiento

longitudinal del tallo (28).

Todas las giberalinas se derivan del ent-kaureno y tienen la estructura básica del ent-

giberelano. La giberalina más común es la GA452D. Las formas estructurales se pueden

observar en la Figura 2.6.

Los efectos que causan las giberalinas son: estimular el crecimiento del tallo, regular la

transición de la fase juvenil a la fase adulta, influir en la iniciación floral, promover el

establecimiento y crecimiento del fruto, promover la germinación de semillas y la

producción de enzimas hidrolíticas. Las giberalinas producen respuestas en

concentraciones sumamente bajas, siempre y cuando exista un mecanismo eficaz para la

percepción y transducción de la señal (28). Estas hormonas inducen el crecimiento por

medio de una alteración de la distribución de calcio en los tejidos. Al favorecer la

síntesis de enzima hidrolíticas como la α-amilasa, promueve la obtención de alimento al

organismo vegetal. Las giberalinas son las únicas fitohormonas que no se han logrado

reproducir de forma sintética.


a) ent-kaureno

b)ent-giberelano

c) GA452D

Figura 2.6: Formas estructurales de las giberalinas


La Giberalina comercializada normalmente se denomina Ácido Giberélico A3 (GA3), el

cual tiene una estructura similar a las giberalinas naturales y su forma estructural se

puede observar en la Figura 2.7.

Figura 2.7: Ácido Giberélico A3

2.5.4. Etileno

El etileno es la fitohormona responsable de los efectos de estrés en las plantas,

maduración de frutos, senescencia de hojas y flores, y la abscisión del fruto. El etileno

es el agente que provoca efectos de maduración. Este compuesto se sintetiza por medio

de la S-adrenosil metionina (SAM), el cual pasa a formar un intermediario que a su vez

será oxidado para obtener como producto etileno, ácido cianhídrico y dióxido de

carbono (6). Otras formas de obtención de etileno para las plantas son por medio del uso

de otro tipo de fitohormonas, las cuales se puedan degradar en etileno. El proceso

biológico de obtención de etileno se lo puede observar en la Figura 2.8. En donde

adicionalmente se mencionan las enzimas precursoras de la degradación.


Enzima 1: 1-Aminociclopropano-1-carboxilato sintasa

Enzima 2: Aminociclo propane carboxilato oxidasa

Figura 2.8: Proceso biológico de formación de etileno

Las respuestas que tiene el etileno sobre una planta son sumamente variadas. Las más

conocidas son: estimula la senescencia de hojas y flores, prolongando su tiempo de

permanencia en la planta y previniendo que se marchiten en forma temprana. Además,

estimula la senescencia de las células maduras del xilema, lo cual permite que los

conductos internos de la planta permanezcan hábiles por mayor tiempo (27). Provoca

una germinación temprana de semillas. Estimula un correcto desarrollo de las raíces,

proveyendo de una mayor cantidad de pelos radicales; responsables de la absorción de

minerales y agua del suelo. Estimula la maduración de frutos con objeto de promover

ablandamiento, cambios en la coloración o sabor, entre otros efectos (26).

2.6. Caracterización de la materia prima y productos

En este proyecto se emplearon residuos de fruta, proveniente de la extracción de pulpas

y jugos de la planta Latinoamerica de Jugos S.A. Adicionalmente, se emplea estiércol

bovino, recolectado de granjas aledañas a la planta. Para el control de la investigación se


realizan los siguientes análisis tanto de la materia prima, como de la mezcla reactiva en

la parte superior e inferior del reactor, y del producto final obtenido, el biol.

2.6.1. Sólidos totales (TS)

Los sólidos totales (TS, por sus siglas en inglés) se refieren al peso del material seco

remanente después de pasar por un proceso de secado a 105°C, hasta que no se detecte

pérdida de peso (5). El porcentaje de sólidos óptimo para la operación de digestores

continuos oscila entre el 4 al 10% (29). Esto se debe a que a medida que aumente el

contenido de sólidos, la movilidad de los microorganismos dentro del sustrato se verá

reducida. Lo cual afecta la eficiencia y la producción de biogás. El porcentaje de sólidos

deseado, de igual forma dependerá del diseño de la planta.

2.6.2. Sólidos volátiles (oTS)

Los sólidos volátiles o sólidos totales orgánicos se refieren a la parte de sólidos totales

que se pueden volatilizar durante la calcinación a temperaturas superiores a 550°C.

Teóricamente, dentro de los sólidos volátiles se contienen a todos los compuestos

orgánicos que pueden emplearse en la degradación biológica (5). Por lo cual, el

rendimiento final del proceso estará dictado de forma directa por la cantidad de materia

orgánica que dispongan los microorganismo para trabajar.

2.6.3. Sólidos suspendidos totales (TSS)

Los sólidos suspendidos totales (TSS, por sus siglas en inglés) indican la cantidad de

sólidos presentes en suspensión. Este parámetro se puede medir por medio de la

filtración o centrifugación de una mezcla y su posterior secado a 105°C, hasta que no se

note una diferencia de peso. Este valor indica la cantidad de sólidos no disponibles en

solución acuosa cuyo peso y tamaño son relativamente altos y por tanto no pueden ser

usados directamente por los microorganismos (5). Este análisis ayuda a reconocer la


cantidad de materia orgánica que necesita pasar por un proceso de hidrólisis para que

los microorganismos de las etapas subsecuentes puedan emplearlos.

2.6.4. Sólidos suspendidos volátiles (VSS)

Los sólidos suspendidos volátiles (VSS, por sus siglas en inglés) expresan la cantidad

de sólidos orgánicos en suspensión. Este parámetro se determina por medio de la

calcinación a temperaturas superiores a los 550°C del material suspendido. El valor es

un indicador directo del total de materia orgánica que se encuentra en forma suspendida.

Los VSS son un indicador de la biomasa (microorganismos) existentes en el proceso

(10).

2.6.5. Demanda química de oxígeno (DQO)

La demanda química de oxígeno (DQO) es una aproximación del contenido de materia

orgánica total presente en una muestra. La DQO cuantifica la cantidad de oxígeno

necesario para lograr oxidar la materia orgánica degradable. Las unidades de expresión

son mg de oxígeno consumido para oxidación por litro de muestra [mg O2 / L] (30).

Este parámetro se lo puede obtener por medio de la digestión de una muestra conocida

por 2 horas a una temperatura de 150°C, con una solución de dicromato de potasio

(K2Cr2O7) u otro agente oxidante fuerte; en un medio ácido. Esto permite que la materia

orgánica presente se oxide por medio del consumo de dicromato de potasio, cuyo valor

de absorbancia es conocido, para generar ión crómico con una absorbancia diferente. La

diferencia entre los valores de absorbancia permite realizar la medición posterior por

colorimetría (5). La Ecuación 2.7 enseña el mecanismo de reacción por el cual trabaja la

determinación por DQO.


OHCreHOCr 2

32

72 72614

Ecuación 2.7: Reacción de DQO

La diferencia de valores de DQO antes y después del proceso de digestión identifica la

eficiencia del proceso. La diferencia entre los valores de entrada y salida permite

conocer de forma indirecta la cantidad de materia orgánica degradada y transformada en

metano. El método de determinación se puede observar en el Anexo 2.

2.6.6. Carga orgánica volumétrica (COV)

La carga orgánica volumétrica se refiere a la cantidad de materia orgánica introducida

diariamente por metro cúbico de volumen de digestor. Las unidades más comunes para

su expresión son: kg oTS / m3

reactor día o kg DQOfeed / m3reactor día (31).

El control de la carga orgánica que se alimenta diariamente al biodigestor es

fundamental cuando se desea mantener condiciones estables en la digestión. Si se

aumenta el valor de COV se crea inestabilidad debido a una acumulación de sólidos

volátiles o demanda química de oxígeno. En el caso de tener concentraciones bajas en el

afluente o tiempos de retención elevados, los valores de COV serán bajos. Por lo cual,

las bacterias tendrán tiempo y capacidad suficiente para degradar toda la materia

orgánica. Sin embargo, cuando estos valores son muy bajos se tendrá trabajando al

reactor con rendimiento muy bajo.

Si bien un COV mayor permite obtener una mayor cantidad de biogás, un COV

pequeño ayuda a degradar la materia orgánica por completo; el objetivo se basa en tener

un equilibrio entre ambos.


2.6.7. Relación carbono – nitrógeno (C/N) y carbono – fósforo (C/P)

Las bacterias precisan de carbono y nitrógeno para poder subsistir, es decir para pasar

por las etapas de crecimiento y desarrolló. Un buen balance entre los nutrientes genera

una gran actividad enzimática dentro del reactor. La relación entre C/N a mantener

dentro de un biodigestor es de 30:1. Si la relación dismiuye a valores cercano a 10:1 se

reducirá la calidad del material digerido. Por el contrario, si la relación incrementa a

valores cercano a 40:1 se inhibe el crecimiento por falta de nitrógeno (30).

Por otra parte, uno de los valores que tiene una importancia similar en el desarrollo de

microorganismo dentro del reactor es la relación carbono y fosforo. Cuyo valor idóneo

se encuentra en 10:1 (32).

Además de ello, se debe tomar en cuenta que dentro del desarrolló del biol, es necesario

tomar en cuenta valores que permitan al producto participar como fuente activa de

nitrógeno y fósforo. Los métodos de determinación de nitrógeno y fósforo emplean

colorimetría y se pueden observar a detalle en los Anexos 3 y 4.

2.6.8. Alcalinidad

La alcalinidad expresa la concentración de carbonatos en unidades de concentración de

carbonato de calcio, CaCO3. Se emplea como una medida de la capacidad tampón, la

cual dentro del proceso es la encargada de evitar cambios bruscos en el pH. Por lo tanto,

es una forma rápida y eficiente de conocer cuál es el estado actual del reactor (20). Si se

reduce la alcalinidad significa que la carga orgánica empleada es muy alta, debido a que

se está produciendo una gran cantidad de CO2, el cual acidifica la solución y disminuye

la capacidad buffer. Los valores de alcalinidad dentro de un digestor anaerobio están en

el rango de 1000 a 5000 mg CaCO3 /L.


2.6.9. Ácidos grasos volátiles (AGV)

Los ácidos grasos de bajo peso molecular se denominan ácidos grasos volátiles (AGV).

Estos ácidos son producto de los procesos biológicos de la acidogénesis y

acetanogénesis. Los ácidos grasos volátiles son los precursores principales para la

producción de metano. Además de ello, el tener un exceso de AGV promueve una

acidificación del sistema, e indica una sobrecarga dentro del reactor o un tiempo de

permanencia muy bajo (20). Los valores óptimos en la concentración de ácidos grasos

volátiles se debe mantener entre valores de 500 a 1000 mg CH3COOH/L en sistemas

mesofílicos y de 1000 a 2000 mg CH3COOH / L en sistemas termofílicos. Los valores

en relación con la alcalinidad se deben mantener lo más bajos posibles, lo cual indica un

correcto funcionamiento del proceso.

Además de ello, se puede calcular la relación con la alcalinidad para conocer las

condiciones de operación dentro del reactor. Cuando el valor de AGV/alcalinidad se

encuentra entre 0,5 – 1, los valores de dióxido de carbono en el biogás comienzan a

aumentar debido a que la actividad de las bacterias acetanogénicas superan a los

diferentes grupos de microorganismos y no se permite la formación adecuada de metano

(20).

2.6.10. Análisis de macro y micro nutrientes

Existen diferentes tipos de nutrientes que la planta necesita para poder desarrollarse de

forma adecuada. Aquellos que necesita en una mayor cantidad se denominan

macronutrientes, y los que necesita en una menor concentración son conocidos como

micronutrientes. Los micro-nutrientes en el ámbito agrícola son los diferentes metales

presentes en el suelo que la planta precisa para madurar (6).


El medio por el cual las plantas vasculares absorben los nutrientes es a partir de las

raíces o las estomas de las hojas. Las características de los macronutrientes es que la

deficiencia de uno de los elementos no permite que la planta complete su ciclo vital, y

es insustituible. En la Tabla 2.4 se pueden observar los macronutrientes así como la

forma por la cual la planta los obtiene y su uso principal (33).

Tabla 2.4: Macronutrientes vegetales

Los micronutrientes u oligoelementos se presentan en la nutrición vegetal en cantidades

pequeñas, aunque no de forma indispensable. Los más comunes se encuentran

resumidos en la Tabla 2.5, en donde se pueden conocer sus funciones principales. Un

parámetro importante para comparar la calidad del biol con otras marcas disponibles en

el mercado es la relación entre los macro-nutrientes, así como la cantidad de micro-

nutrientes presentes.

CompuestoForma de ingreso

a la plantaPrincipales funciones

Hidrógeno (H) H₂O Constitución de azúcares

Carbono (C ) CO₂ Constituyente principal de la planta

Oxígeno (O) O₂, H₂O, CO₂ Respiración celular

Nitrógeno (N) NO₃⁻, NH₄⁺Componente de aminoácidos, ácidos nucléicos,

clorofila y coenzimas

Fósforo (P) H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻ Componente primordial de compuestos

fosfatados que transportan energía

Potasio (K) K⁺ Requerido para ósmosis y equilibrio químico

Calcio (Ca) Ca²⁺ Componente de la pared celular

Magnesio (Mg) Mg²⁺ Componente central de la clorofila

Azufre (S) SO₄²⁻ Forma parte de algunos aminoácidos


Tabla 2.5: Micronutrientes esenciales en las plantas

CompuestoForma de ingreso

a la plantaPrincipales funciones

Cloro (Cl) Cl⁻ Produce osmosis y equilibrio iónico

Hierro (Fe) Fe²⁺, Fe³⁺ Necesario para la síntesis de clorofila

Boro (B) H₃BO₃Interviene en el uso de Calcio, la polinización e

integridad de las membranas

Manganeso (Mn) Mn²⁺Activador de algunas enzimas y necesario para la

liberación de oxígeno en la fotosíntesis

Zinc (Zn) Zn²⁺ Activador o componente de algunas enzimas

Cobre (Cu) Cu⁺, Cu²⁺ Activador o componente de algunas enzimas

Niquel (Ni) Ni²⁺Forma parte de la ureasa, esencial en el

metabolismo

Molibdeno (Mo) MoO₄²⁻Necesario para la fijación de nitrógeno y

reducción de nitrato

Métodos Experimentales 49

3. Métodos Experimentales

En el presente proyecto se trabaja con un biodigestor a escala semi-industrial, el cual

opera en régimen continuo, es decir, que diariamente una cantidad específica de materia

prima ingresa al biodigestor, y esa misma cantidad es removida del mismo,

manteniendo el volumen del digestor constante. Durante el desarrollo de esta tesis se

mantiene un control en todas las etapas del proceso, empezando con el pretratamiento y

la alimentación de la materia prima, el control de los parámetros de operación; y la

obtención de biogás y biol. Todo esto con la finalidad de aumentar la productividad y

mejorar la calidad de los productos obtenidos.

3.1. Descripción de la planta semi-industrial de digestión

anaeróbica

Los insumos necesarios para el proceso de digestión anaeróbica son desechos orgánicos

vegetales y desechos orgánicos animales. La materia prima debe pasar por el

pretratamiento para poder ingresar al biodigestor. En cuanto a la materia orgánica

vegetal, esta debe pasar por un molino de martillos, seguido de una trituradora de

cuchillas para reducir el tamaño del desecho orgánico vegetal recibido. La materia

orgánica animal es diluida en agua y posteriormente filtrada para separar todos los

sólidos contenidos en la misma.

Después, es necesario realizar la mezcla de ambos insumos con agua dentro del tanque

de homogenización. La mezcla se hace por medio de un sistema de doble hélice. El

proceso se detiene después de una hora o una vez que el sistema se encuentre

homogéneo.


Ya preparada la mezcla de alimentación, esta se bombea por medio de una bomba

sumergible hacia un tamiz vibratorio. En el cual se busca eliminar las partículas que

tengan tamaños poco apropiados que puedan causar el taponamiento de tuberías y que al

mismo tiempo son ineficientes para el proceso de digestión anaeróbica.

Antes de alimentar al biodigestor es necesario que la misma cantidad de biol que se va a

alimentar se traslade al sistema de almacenamiento de producto terminado. Para poder

trasladar la mezcla digerida del reactor principal al sistema de almacenamiento de biol,

se requiere que la mezcla reactiva haya estado en recirculación constante para que se

haya degradado y sea homogénea. Para la recirculación se prende la bomba neumática,

de tal forma que el producto que se encuentra en la parte superior del reactor reingrese

por la parte inferior del tanque generando un flujo ascendente de la mezcla reactiva.

Una vez vaciado el volumen necesario del digestor se alimenta con el volumen de

alimentación preparado y se recircula por 24 horas hasta la siguiente alimentación.

Es necesario mantener una agitación constante por medio de recirculación para

mantener el contacto entre el sustrato fresco y los microorganismos al interior del

reactor, beneficiando de esta manera el proceso de digestión anaerobia y la producción

de biogás. La recirculación se realiza por medio de una bomba neumática, la cual toma

el material contenido en la parte superior del digestor y la hace pasar por el

intercambiador de calor grande, de forma que se mantenga constante la temperatura y la

composición dentro del tanque y la reingrese en la parte inferior del biodigestor.

Durante la operación se puede tener taponamiento de tuberías. Para lo cual, es necesario

detener el sistema de recirculación o alimentación y cerrar todas las llaves, encontrar el

origen de la obstrucción y liberarlo.


El sistema de recolección de gas contiene un sistema de fuga implementado en la parte

superior del reactor. Una vez superada la presión de fuga, el gas pasa por dos sistemas

de purificación para compuestos sulfurados y humedad. Cuando el biogás pasó por el

sistema de purificación llegan al contador y posteriormente a un almacenamiento

temporal en el gasómetro. Una vez que el gasómetro se encuentre lleno, un compresor

lo carga en la bala de almacenamiento. Desde la bala se puede emplear dicho gas como

fuente de energía eléctrica o térmica. En caso de sobrepresión en el sistema de

almacenamiento de gas, se libera el mismo hacia un chispero de seguridad, para la

quema y liberación de presión. El diagrama de flujo del proceso se encuentra en el

Anexo 1.

3.2. Descripción de la operación del biodigestor

3.2.1. Caracterización y obtención de la materia prima

La materia prima en este proceso es estiércol bovino y residuos del procesamiento de

pulpas y jugos de la plata Latinoamericana de Jugos S.A. La recolección de estiércol

bovino se realiza en un establo cercano a la planta. Al momento de realizar la

recolección del estiércol se observa que el mismo se encuentre lo más fresco posible y

además se debe tener en cuenta que el ganado del cual se obtiene no mantenga ningún

tipo de mantenimiento antibiótico, debido a que esto puede afectar la digestión. Una vez

recolectado el estiercol se debe realizar el pesaje, la dilución y el filtrado. Se busca

evitar el ingreso de sólidos como piedras, hojas, ramas, etc. Los cuales pueden afectar

de forma directa la operación de las diferentes bombas o favorecer el taponamiento de

tuberías.

El material orgánico vegetal se lo obtiene de la planta de preparación de pulpas y jugos

Latinoamericana de Jugos S.A. la cual desecha las cascaras y pepas de los frutos con


residuos de pulpa. Toda la materia orgánica se somete a una reducción de tamaño en un

molino de martillos seguido de una trituradora de cuchillas.

Se debe tomar en cuenta que antes de ingresar al sistema de alimentación, cada una de

las materias primas debe ser pesada. Para lo cual se debe guardar la relación 1:3 en

relación en peso de estiércol / desecho de fruta.

3.2.2. Operación y monitoreo de la planta semi-industrial

La operación de la planta semi-industrial inicia en el momento que se realiza la

recolección de la materia prima, una vez que la materia orgánica animal y vegetal han

atravesado los procesos de pre-tratamiento, se procede a realizar la mezcla de las

materias primas en el tanque de alimentación, en el cual se controla la homogeneidad de

la mezcla resultante. Después de ello, se hace pasar por el tamiz vibratorio para eliminar

las partículas con tamaños excesivos. Una vez listo este proceso se procede a la

recirculación de la mezcla reactiva por medio de una bomba neumática para que el

mismo pase posteriormente al tanque de almacenamiento final de biol. Con lo cual se

prosigue con la alimentación hacia el tanque de reacción. Para ello, es necesario

controlar los niveles en los tanques de reacción y almacenamiento de biol. La

temperatura se controla por medio de la medición en los tanques y en los

intercambiadores de calor. La cantidad de material orgánico alimentado tendrá que ser

igual a la cantidad de fertilizante orgánico descargado hacia el tanque de

almacenamiento final para mantener un nivel constante.

Los controles de temperatura, presión y nivel del líquido se realizan a través de un

sistema de control automático, y el uso de manómetros, medidores de nivel y

temperatura. Se permite una constante agitación por recirculación en el tanque de

reacción y el uso de una bomba neumática, lo cual permite el contacto entre el sustrato


fresco y los microorganismos al interior del reactor, así como una estabilización de la

temperatura.

El biogás resultante atraviesa un proceso de purificación, el cual se detalla más adelante,

y se contabiliza la cantidad de gas producido por medio de un contador. El uso del gas

resultante se da gracias al posterior almacenamiento en una bala de gas, de la cual se

puede distribuir el gas al uso térmico en el caldero o energético en el motor a gas.

Antes de realizar la alimentación al biodigestor es necesario tomar una pequeña muestra

de la mezcla reactiva, para realizar los análisis pertinentes como: sólidos totales, sólidos

totales orgánicos, sólidos suspendidos totales, sólidos suspendidos volátiles, demanda

química de oxígeno, alcalinidad, pH y ácidos grasos volátiles.

El gas obtenido del proceso también es analizado cada cierto tiempo para observar la

calidad del mismo. Estos controles se realizan a través de la prueba de llama

(cualitativa) y burbujeo del gas a través de hidróxido de sodio (NaOH) (cuantitativa).

Con estas pruebas se puede reconocer el porcentaje de metano (CH4) y dióxido de

carbono (CO2) que posee el biogás en el caso del control cuantitativo, o simplemente

observar de forma directa si el biogás obtenido del proceso es de buena calidad para su

combustión en el control cualitativo.

Además, se realizan análisis a la mezcla reactiva dentro del reactor. Tomando muestras

de la parte superior del reactor y de la parte inferior del mismo. Para lo cual, las

muestras se deben tomar antes del proceso de alimentación. Los análisis que se realizan

son: sólidos totales, sólidos totales orgánicos, sólidos suspendidos totales, sólidos

suspendidos volátiles, demanda química de oxígeno, alcalinidad, pH y ácidos grasos

volátiles.


Por último, al producto final obtenido como fertilizante orgánico se le realizan análisis

como: sólidos totales, sólidos totales orgánicos, sólidos suspendidos totales, sólidos

suspendidos volátiles, demanda química de oxígeno, alcalinidad, pH, ácidos grasos

volátiles, contenido de nitrógeno y contenido de fósforo.

En la Figura 3.1 se puede observar el diagrama de bloques del proceso de digestión

anaeróbica implementado en Latinoamericana de Jugos S.A.


Figura 3.1: Diagrama de bloque del proceso de digestión anaeróbica

3.2.3. Procesamiento del biogás

El biogás se encuentra principalmente compuesto por CH4 y CO2, pero también por

pequeñas cantidades de otros gases. Estos pueden ser sulfuros de hidrógeno (H2S) y

Desechos Orgánicos Vegetales

Desechos Orgánicos Animales

Pesaje

Trituración

Pesaje

Filtrado

Mezcla

Alimentación

Biodigestión

Biol Biogás

Tratamiento Tratamiento

Almacenaje Almacenaje

Uso térmico o energético


vapor de agua, los cuales perjudican las características combustibles del biogás,

evitando que el mismo pueda ser empleado de forma directa en equipos o maquinarias.

Para ello el biogás debe ser sometido a un tratamiento previo de purificación (7).

La primera etapa del proceso es la eliminación de sulfuros de hidrógeno. El cual es un

agente que puede provocar la corrosión de equipos por sus residuos de combustión. Y,

es altamente venenoso y causante de malos olores. La eliminación del mismo se da por

medio del uso de limaduras de hierro. Las limaduras de hierro funcionan por medio de

las Ecuación 3.1 y Ecuación 3.2.

OHSFeSHOHOFe 2322232 43

Ecuación 3.1: Reducción del ácido sulfhídrico

SOFeOSFe 6232 32232

Ecuación 3.2: Oxidación del sulfuro de hierro

Para la eliminación de trazas de sulfuros de hidrógeno y de humedad se emplea un

filtro de carbón. En el cual, la humedad y el vapor de agua se van depositando sobre la

superficie de carbón y se condensan para después precipitar y poder ser retirados.

Para poder emplear el biogás como un producto combustible en diferentes maquinarias,

es necesario concentrar el metano presente hasta concentraciones superiores al 90% (8).

Para lograr ello, se debe eliminar el CO2 de la mezcla. Esto se puede realizar por medio

del paso del gas en soluciones de hidróxido de sodio (NaOH) o cal (Ca(OH)2). Se debe

tomar en cuenta que el almacenamiento de un biogás que no cumpla estas condiciones

requiere del uso de diversos recursos, y como no se puede emplear de forma directa

generaría una serie de problemas y gastos.


3.3. Análisis físico – químicos

Los análisis físico – químicos que se realizan a lo lago de la operación de la planta semi

– industrial, permiten conocer y evaluar de forma óptima el estado de operación del

proceso de digestión anaerobia y la calidad de los productos obtenidos.

3.3.1. Medidor de pH

El pH es un parámetro muy importante en el proceso de digestión anaerobia, debido a

que provee una idea de la interacción de los microorganismos dentro del proceso. En el

caso de tener valores de pH ácidos, esto quiere decir que la actividad de las bacterias

acidogénicas y acetanogénicas es mayor a las bacterias metanogénicas. Esto se debe a

que los primeros grupos de bacterias están generando más productos del que las

bacterias generadoras de metano pueden utilizar. Esto es un indicador claro de una

sobrecarga en la alimentación de materia orgánica hacia el biodigestor. En adición, se

debe considerar que el crecimiento y la resistencia a cambios de las bacterias

metanogénicas es menor al de los demás grupos de microorganismo involucrados en la

digestión anaerobia (31).

Para asegurar un adecuado funcionamiento del proceso es importante mantener la

mezcla reactiva en un rango de pH de 6,5 a 7,5. Para la operación del digestor se debe

cuidar mucho que el valor de pH de la mezcla reactiva se mantenga dentro de un rango

neutro.

El equipo utilizado para la medición de pH es un medidor marca Hanna, modelo HI

8424. El cual se puede observar en la Figura 3.2.


Figura 3.2: Medidor de pH

3.3.2. Sólidos totales

Los sólidos totales proporcionan la información de la cantidad de sólidos que se

encuentran en la mezcla. Lo cual ayuda a determinar si la alimentación preparada tiene

un valor óptimo, manteniéndose entre un 4 a 12%. Además, se busca evitar el

taponamiento de tuberías y bombas; e inclusive mantener niveles adecuados de forma

tal que no inhiban el proceso. Comparando el valor de la alimentación con el de la

mezcla reactiva y el producto final obtenido se puede conocer la degradación de materia

sólida. Por lo cual en la mezcla reactiva como en el biol, se busca mantener una

cantidad de sólidos menor a la de la alimentación.

Para llevar a cabo este experimento se debe tomar alrededor de 20mL de muestra y

colocarlos en un crisol. Previó a eso es necesario tomar el peso del crisol seco (1 hora a

105°C) y limpió. Después de añadir la muestra se registra nuevamente el peso.

Posteriormente, se ingresan las muestras por 24 horas al horno precalentado a 105°C.

Una vez transcurrido este tiempo, se retira el crisol del horno y se lo deja enfriar a

temperatura ambiente, para poder registrar nuevamente su peso. La fórmula para

determinar los sólidos totales se describe en la Ecuación 3.3.


602 10

mV

mmTS

Ecuación 3.3: Determinación de TS

Donde:

TS: Sólidos totales

mo: Peso crisol

m1: Peso muestra y crisol

m2: Peso residuo seco y el crisol

Vm: Volumen de la muestra original

En esta prueba también se busca registrar la densidad de la muestra a analizar. Para lo

cual el cálculo a emplear se resume en la Ecuación 3.4.

mV

mm 01

Ecuación 3.4: Cálculo de densidad

3.3.3. Sólidos totales orgánicos

Los sólidos totales orgánicos corresponden al porcentaje de materia orgánica que

contienen los sólidos totales. Es conveniente un porcentaje mayor al 60% con relación a

los sólidos orgánicos totales. El método consiste en volatilizar todos los compuestos

orgánicos que se pueden oxidar. Se necesita calcinar los remanentes del estudio de TS a

una temperatura de 550°C durante 8 horas. Después, se retiran las muestras de la mufla

y se espera que se enfríen hasta alcanzar la temperatura ambiente. Por último se pesa el


crisol con los productos de la calcinación y se registra el valor obtenido. La Ecuación

3.5 describe el método de cálculo.

623 10

mV

mmoTS

Ecuación 3.5: Cálculo de oTS

Donde:

oTS: Sólidos orgánicos totales

: Peso residuo seco y crisol

: Peso residuo calcinado y crisol

: Volumen de la muestra original

3.3.4. Sólidos suspendidos totales

El valor de sólidos suspendidos volátiles, representan a la materia particulada que se

mantiene como suspensión. La suspensión indica sólidos con tamaños de partículas muy

grandes. Por lo general se la considera como aquella fracción de materia orgánica que se

puede separar por medio de procesos físicos. Para poder calcular este parámetro es

necesario tomar un volumen conocido de la muestra de alrededor de 50 mL y hacerlo

pasar por una centrifugadora a 3200 revoluciones por minutos (rpm) por 15 minutos.

Después, es necesario tomar el peso de un crisol limpio y seco (a 105°C por 1 hora) y

registrarlo.

En la muestra centrifugada se separa la parte líquida. Después, se introduce un poco de

agua destilada al vial de centrifugación y se agita vigorosamente para liberar toda la fase

sólida que se encuentra en las paredes del recipiente. Se trasvasa el contenido del vial


con agua al crisol vacío, tomando en cuenta que todo el material haya pasado al crisol y

no existan remanentes dentro del vial. Se lleva el crisol con la muestra a la estufa para

secarlo a 105°C por 24 horas. Después del proceso de secado se registra nuevamente el

peso del crisol con la muestra seca. La Ecuación 3.6 permite obtener este valor.

645 10

mV

mmTSS

Ecuación 3.6: Cálculo de TSS

Donde:

: Sólidos suspendidos totales

: Peso crisol



3.3.5. Sólidos suspendidos volátiles

Los sólidos suspendidos volátiles se emplean como el indicador de la materia orgánica

en suspensión. La cual no puede ser directamente usada por los microorganismos,

debido a que debe pasar por un proceso de ruptura de enlaces para emplearse dentro del

sistema de reacción. Para poder obtener este valor, es necesario tomar el producto seco

de TSS y hacerlo pasar por un proceso de calcinación a 550°C por un periodo de 8

horas. Después de lo cual se extrae la muestra calcinada y se la deja enfriar a

temperatura ambiente, para registrar el peso. La Ecuación 3.7 representa el cálculo a

realizar.


665 10

mV

mmVSS

Ecuación 3.7: Cálculo de VSS

Donde:

: Sólidos suspendidos volátiles


: Peso residuo calcinado y crisol


3.3.6. Demanda química de oxígeno (DQO)

La demanda química de oxígeno es un parámetro cumulativo, el cual nos indica de

manera indirecta la cantidad de materia orgánica degradables en una muestra. Este

parámetro se emplea para conocer la efectividad que tiene el proceso de degradación

anaeróbica y su conversión a biogás. Si se mantiene un valor determinado de DQO a la

entrada del biodigestor y otro a la salida del mismo, se puede obtener la cantidad de

materia orgánica que se degradó y se convirtió en biogás. El análisis se lo realiza con las

muestras de alimentación y biofertilizante total obtenido. Adicional a ello, para conocer

que tan homogénea se encuentra la mezcla dentro del tanque anaerobio se toman

muestras de la parte superior e inferior del biodigestor.

El método empleado para la determinación de la demanda química de oxígeno es el

método de prueba de tubo con el colorímetro. Para digerir la muestra se emplea un

reactor de marca Hach modelo DRB 200 y para leer la DQO se usa un colorímetro de

marca Hach modelo DR/890. El rango de medidas del colorímetro va desde 0 hasta


1500 mg/L, por lo cual es necesario trabajar con diluciones de 1:10 para los análisis.

Los equipos mencionados se pueden ver en la Figura 3.3. Los pasos para el desarrollo

del método se encuentran descritos en el Anexo 2.

a) b)

Figura 3.3: a) Reactor HACH DRB 200, b) Colorímetro HACH DR/890

3.3.7. Nitrógeno

El nitrógeno es uno de los principales compuestos de interés en fertilizantes, debido a

que se necesita para el desarrollo adecuado de la planta. Este compuesto va a estar en

forma amoniacal dentro del biol, por lo cual se puede presentar una relación para poder

comparar el producto obtenido con otras marcas comerciales.

Para la cuantificación del nitrógeno total se emplea el método de prueba de tubo, con el

colorímetro marca Hach modelo DR/890. El rango de datos que puede registrar este

método va de 10 a 150 mg/L. Para lo cual es necesario preparar soluciones 1:10 o 1:20

de las muestras analizadas. Las muestras a analizar se toman únicamente de la descarga

final del proceso. El método se encuentra registrado en el Anexo 3.


3.3.8. Fósforo

El fósforo es otro de los principales compuestos de interés en fertilizantes, debido a que

se necesita para el desarrollo adecuado de la planta. El interés del potasio como

fertilizante se debe al pobre porcentaje que tienen los suelos agrícolas en muchas zonas.

Para la cuantificación del fósforo total se emplea el método de prueba de tubo, con el

colorímetro marca Hach modelo DR/890. El rango de datos que puede registrar este

método va de 0 a 1,75 mg/L. Para lo cual es necesario preparar soluciones 1:100 de las

muestras analizadas. Las muestras a analizar se toman únicamente de la descarga final

del proceso. El método se encuentra registrado en el Anexo 4.

3.3.9. Alcalinidad

La alcalinidad es un parámetro con el cual se puede conocer la estabilidad del proceso,

debido a que da información general de los parámetros a los cuales está operando el

biodigestor. Brinda, además, la oportunidad de emplear medidas correctivas antes de

que se perciban variaciones significativas en otros parámetros como el pH y producción

de biogás.

Los análisis se realizaron con muestras de la mezcla de alimentación, de la parte

superior e inferior de la mezcla reactiva y con el producto final. Previo al análisis, la

muestra debe ser sometida a centrifugación. Una vez centrifugada la muestra se toma

alrededor de 20 mL de la muestra y se hace una titulación potenciométrica con ácido

sulfúrico (H2SO4) 0,05M hasta alcanzar un pH final de 5,75 (34). Para ello es necesario

mantener agitación continua. El valor de la alcalinidad se lo puede obtener empleando la

Ecuación 3.8.


510

C

AcAc

C

CVAlc

Ecuación 3.8: Cálculo de alcalinidad

Donde:

: Alcalinidad equivalente a carbonato de calcio

: Volumen de la solución de H2SO4 utilizado para la titulación

: Concentración de la solución de H2SO4

: Volumen del centrifugado

3.3.10. Ácidos grasos volátiles (AGV)

Los ácidos grasos volátiles son los precursores principales para la formación de metano

y los que determinan la existencia de acidificación del proceso. Este parámetro sirve

como indicador para conocer como están interactuando los diferentes grupos de

microorganismos dentro del reactor.

Para poder realizar la medición es necesario centrifugar la muestra a 3200 revoluciones

por un periodo de 15 minutos. Con el objetivo de obtener un volumen de sobrenadante

de alrededor de 50 mL. Después de ello se prepara una solución 1:2, empleando un

balón de 100 mL, y finalmente se homogeniza la solución. Después de preparar la

misma es necesario hacerla pasar por una destilación simple.

Para la destilación se requiere de un balón de 500 mL, en el cual se agrega la muestra

preparada y se le adicionan de 2 a 3 mL de ácido sulfúrico concentrado junto con

algunos bulbos de ebullición. Después se agita la mezcla con precaución, para que se

caliente rápidamente. Se coloca de inmediato el balón en el equipo de destilación


armado y se recoge un volumen de 7 mL del destilado en un balón de 25 mL y se los

desecha. Se prosigue con la destilación y se recoge el destilado en un balón de 250 mL

hasta obtener un volumen final de 75 mL.

Una vez que se obtiene el destilado se procede a realizar la titulación, para lo cual se

pueden tomar muestras de 25 mL y colocarlas en un vaso de precipitación de 100mL. Se

agregan unas pocas gotas del indicador de fenolftaleína y se coloca el vaso junto con un

agitador magnético sobre la base del agitador. Se llena la bureta con una solución de

NaOH 0.1M y se empieza la titulación. La titulación se detiene cuando el destilado

cambie de coloración a rosa y el color persista por al menos un minuto. Se registra el

volumen de NaOH utilizado para la valoración y se procede con el cálculo (34). El cual

se puede observar en le Ecuación 3.9.

60000

d

dBB

V

FCVAGV

Ecuación 3.9: Cálculo de AGV

Donde:

: Ácidos grasos volátiles equivalente a ácido acético

: Volumen de la solución de NaOH utilizado para la titulación

: Concentración de la solución de NaOH

: Volumen de destilado

: Factor de dilución


Se debe tomar en cuenta que el factor de dilución se obtiene de la división del

centrifugado empleado divido para el volumen total de aforo.

3.3.11. Análisis de macro-nutrientes y micro-nutrientes

El método empleado para el análisis de macro-nutrientes y micro-nutrientes es el uso

del equipo de absorción atómica. Esto se debe a que este es el método más utilizado

para la determinación de elementos de diversos tipos de muestras metálicas.

El método se basa en la medición de la interacción de la radiación electromagnética con

las muestras. En este equipo se mide la cantidad de potencia radiante absorbida por la

muestra compuesta de un mismo elemento, el cual es expuesto a una determinada

longitud de onda. Dicha longitud de onda, proviene de la relajación desde un estado

excitado al estado fundamental de los átomos del elemento que se pretende analizar, el

cual se genera en la lámpara de cátodo hueco (35).

Las etapas cruciales de este método son la inserción de la muestra y la atomización de la

misma. En la inserción se emplean por lo general nebulizadores, los cuales generan un

error debido a que no se introduce una cantidad que resulte representativa a toda la

muestra. Por lo cual, la mezcla debe ser homogénea.

Después de realizada la inserción, el proceso de atomización se lo hace mediante la

interacción de la muestra obtenida con una llama proveniente de la combustión entre

aire y acetileno, para análisis más minuciosos se emplean llamas de acetileno con óxido

nitroso; las cuales generan mayores temperaturas. Sin embargo, se debe tomar en cuenta

que en cualquiera de las llamas que se emplee, existe una interferencia debido a la

posibilidad de generación de óxidos de los metales que se analiza.

Para la preparación de los diferentes estándares se procedió a revisar las

especificaciones del equipo de absorción atómica. Para según ello poder realizar una


curva de calibración en el rango lineal de absorción de cada uno de los compuestos.

Cada uno de los estándares fue preparado en una disolución de ácido nítrico al 2%, el

cual de igual manera fue utilizado como blanco. Previo al encendido del equipo, se

deben conectar cada una de las lámparas de cátodo hueco de cada uno de los metales

que se pretende analizar. Posterior a ello, se debe observar detenidamente que el haz de

luz se encuentre perfectamente alineado; adicionalmente, se debe comprobar que el

medio de inserción de muestra se encuentre funcionando de manera adecuada. Una vez

completados estos pasos, se empleo para el medio de atomización la llama de aire con

acetileno, la cual se debe dejar encendida por un periodo de 30 minutos antes de realizar

cualquier análisis, con el propósito de obtener una llama más estable.

Después de preparar el instrumento y cada una de las muestras es necesario realizar las

curvas de calibración. Para ello, en cada uno de los metales a analizar, se debe realizar

la curva de calibración de acuerdo al manual del equipo (en donde se describe la

longitud de onda y la amplitud en A que se debe tener en el equipo). Una vez obtenidas

las curvas de calibración para cada uno de los elemento, se procede a realizar el análisis

de la muestra de Biol.

La muestra de Biol debe tener la menor cantidad de sólidos insolubles, los cuales

pueden interferir en el mecanismo de inserción de muestra en el equipo. Para ello, es

necesario hacer que el Biol pase por una etapa de centrifugación y filtrado.

3.3.12. Análisis de fitohormonas

Para el análisis se empleó el equipo de Cromatografía de Gases con Espectrómetro de

Masas, más conocido por sus siglas en inglés como: GC-MS. El equipo permite analizar

con gran precisión la composición de diferentes elementos químicos e isótopos

atómicos (35).


Figura 3.4 GC-MS Shimadzu QP2010

Para poder realizar el análisis es necesario separar los núcleos atómicos en función de su

relación masa - carga (m/z). Para lograr ello, la muestra pasa a través de una columna de

sílice en contacto con helio en donde se busca separar las diferentes moléculas que

ingresaron por medio de la interacción que se produce. Entre menor sea la interacción la

molécula saldrá con un menor tiempo de retención hacia el análisis. Conjuntamente, se

presenta un cambio de parámetros de temperatura para optimizar la separación. Al

terminar el paso por la columna las moléculas son ionizadas por una fuente de impacto

de electrones la cual es necesaria para poder analizar las muestras. Todas las moléculas

pasan después por un filtro de masas cuadropolo, el cual se compone de 4 barras

alargadas en formación, conectadas eléctricamente en pares opuestos. La variación de la

radiofrecuencia en el cuadropolo permite sintonizar un determinado ion, el cual va a ser

el único que pase al detector, eliminando cualquier otra especie que pueda generar

interferencia. El detector registra la carga inducida cuando un ion golpea la superficie.

Este tipo de análisis se emplea para identificar los diferentes elementos químicos que

forman un compuesto, así como estructuras que se pueden comparar con bases de datos


(35). En síntesis, el equipo logra la separación al calentar un haz de material del

compuesto hasta vaporizarlo e ionizarlo. Después cada uno de los compuestos produce

un patrón específico en el detector, lo cual permite analizar el compuesto. Existen bases

de datos específicas que permiten comparar los análisis realizados con diferentes

fitohormonas.

En adición, el equipo permite determinar la cantidad presente de un compuesto. Para

lograr realizar el análisis es necesario tener un método de preparación de muestra que

permita volatilizar los compuestos que se desean analizar. Para ello, fue necesario

disolver cada uno de los estándares en alcohol potable; y mezclarlo cada 6 horas por un

periodo de 24 horas. Después de la agitación, se procedió a volatilizar los compuestos

por medio de una destilación al vacío. Empleando para ello, el rotavapor marca

Heidolph. La destilación se lleva a cabo hasta secar la muestra, a una temperatura de

80°C. Todo el destilado se recolecta y se toma una pequeña muestra para poder

analizarla.

En el caso de la muestra se lleva a cabo el procedimiento antes explicado. Con la

pequeña variación que en la mezcla se toma una muestra de 50 mL de Biol y se los

afora a 100 mL con alcohol potable. La mezcla pasa por el mismo proceso de agitación,

y previo a la destilación al vacío se debe separar la fase sólida. Para lograrlo se pasa a la

muestra por una centrífuga, por 10 minutos a una velocidad de 3000 rpm. Una vez

separada la fase sólida se pasa a la destilación al vacío, y después se toma la muestra

para inyección en el GC-MS.

3.3.13. Caracterización biogás

Una alta producción de biogás no significa una alta cantidad de metano. El cual es el

compuesto de mayor importancia debido a que es el único que se puede emplear para la


generación de energía térmica y eléctrica. Se considera un buen biogás cuando el

porcentaje de metano se encuentra alrededor del 60%. Para poder determinar la calidad

del biogás se realizan dos pruebas diferentes, una para determinar su presencia y otra

para registrar el porcentaje de metano dentro del gas.

El metano se caracteriza por tener una llama de color azul al combustionarse. La prueba

cualitativa de quemado consiste en observar la coloración azul del biogás al quemarlo

cerca de una fuente de ignición. Para este procedimiento se requiere tener almacenado

una cierta cantidad de biogás en las tuberías del sistema. Se enciende una vela cerca de

una de las salidas de los mecanismo mencionados y se deja escapar al ambiente

apuntando su liberación en dirección a la llama de ignición. En el caso de existir metano

el cambio en la coloración de la llama será evidente. Otra forma de conocer su presencia

es dejando escapar el gas almacenado a la llama piloto y observar la coloración

producida.

Para conocer el porcentaje de metano dentro de la mezcla del biogás es necesario tomar

una muestra conocida del mismo y dejarlo burbujear por medio de una solución al 4%

en peso de hidróxido de Sodio (NaOH). Una vez que acaba el burbujeo se puede

registrar el volumen final obtenido, el cual corresponderá directamente a la cantidad de

metano en la mezcla. Esto se debe a que el NaOH es capaz de retener todo el dióxido de

carbono (CO2), debido a que los dos reaccionan para formar bicarbonato de sodio

(NaHCO3).

3.4. Cálculos para la producción y degradación específica

Para poder realizar los cálculos de la producción específica de biogás y de la

degradación específica de DQO es necesario realizar un balance de masa en el reactor.

El cual se puede calcular a partir de la Ecuación 3.10.


RRRR DASE

Ecuación 3.10: Balance de masa

Donde :

: Entrada

: Salida

: Acumulación

: Degradación

Es necesario realizar el cálculo de caudales másicos y tiempos de residencia. El tiempo

de residencia se puede obtener por medio de la Ecuación 3.11.

v

V actor

Re

Ecuación 3.11: Tiempo de residencia

Donde:

: Tiempo de residencia

: Volumen de operación del reactor

: Caudal de alimentación

Una vez que se conoce el caudal diario de alimentación es necesario conocer la carga de

materia orgánica expresada en términos de DQO. Se emplea la Ecuación 3.12 para

determinar el volumen de materia orgánica y agua que van a ingresar al reactor.


..OMagua vvv

Ecuación 3.12: Flujo volumétrico total

Donde:

: Caudal de agua

: Caudal de materia orgánica

El volumen de materia orgánica que se debe introducir al reactor se puede calcular por

medio de la Ecuación 3.13.

DQOOMDQO Cvm ..

Ecuación 3.13: Flujo másico de la alimentación

Donde:

: Flujo másico de DQO

: DQO experimental de la materia orgánica

La determinación de flujo másico se obtiene a partir de la Ecuación 3.14.

actorDQO VOCm Re..

Ecuación 3.14: Flujo másico

Donde:

: Carga orgánica

: Volumen de operación del reactor


Para la obtención de la producción específica se aplica la Ecuación 3.15.

DQO

biogás

biogásm

VEP

..

Ecuación 3.15: Producción específica

Donde:

: Producción específica de biogás

: Caudal de biogás producido

: Flujo másico de DQO

El cálculo de la remoción específica de DQO se realizó empleando la Ecuación 3.16.

actor

RDQO

V

DER

Re

..

Ecuación 3.16: Remoción específica

Donde:

: Remoción específica

: Degradación

: Volumen de operación reactor

El término de degradación se lo obtiene por medio del balance de masa del reactor

detallado en la Ecuación 3.10.

Resultados y Discusión 75

4. Resultados y Discusión

4.1. Evaluación general del proceso

Los resultados obtenidos fueron analizados desde el 6 de junio del 2014 hasta el 18 de

noviembre del mismo año. Las muestras empleadas en el análisis de sólidos, pH,

alcalinidad, demanda química de oxígeno y ácidos grasos volátiles provienen de 4

lugares diferentes. La primera muestra es tomada de la solución de alimentación, la

segunda de la parte superior del biodigestor por medio de la toma muestras, la tercera de

la parte inferior del reactor por medio de la bomba peristáltica colocada para la

recirculación, y por último del tanque de almacenamiento de biol. Para el análisis de

gases las muestras son tomadas después de pasar por el sistema de filtración y el

contador.

Previo al análisis, la planta venía trabajando por alrededor de 10 meses. Tiempo en el

cual los valores de alimentación y el método de control de la operación se mantenían

constantes. Después del 30 de junio hasta el 29 de agosto se mantuvo a la planta en un

receso, para realizar mantenimiento de tuberías en el intercambiador de calor, debido a

taponamiento. El reactor no se encontraba operando de forma ideal y no se tomaron

muestras para evitar un desbalance en los análisis. Durante este período se mantuvo un

análisis de las causalidades para evitar el taponamiento de tuberías y se buscaron

soluciones al sistema de trituración.

Desde el arranque el 29 de agosto la frecuencia de alimentación comenzó a ser cada vez

menos regular. Por lo cual, se busco realizar alimentación 3 veces por semana con

valores pre-establecidos. Logrando normalizar, en cierta forma las condiciones de

operación del sistema.


Los análisis realizados semanalmente buscan desarrollar un control estricto sobre ciertos

parámetros como pH, alcalinidad, ácidos grasos volátiles y producción de biogás; los

cuales ayudan a descifrar el estado del biodigestor. Por otro lado se monitoreaban los

parámetros de recirculación para evitar el taponamiento de bombas.

Obviamente todos estos controles están sujetos a contratiempos y eventualidades que

pueden surgir durante la operación de una planta semi-industrial. Por ello, no siempre se

tendrá una operación perfecta ni tablas con resultados ideales. Lo cual desemboca en

fluctuaciones marcadas en algunos de los resultados que indiquen la existencia de

dichos comportamientos.

Se debe tomar en cuenta que para el análisis de la cantidad de biogás producido se

cuentan con los datos desde el día 12 de diciembre. Por lo cual se puede observar las

condiciones de operación de la planta en un lapso total de aproximadamente 1 año.

Otro de los parámetros de operación que se mantienen constantes es el nivel del

biodigestor. El cual mantiene un volumen aproximado de 26 m3 durante todo el tiempo

de operación. Este nivel mantiene fluctuaciones, sin embargo, el valor de las mismas se

considera despreciable.

4.2. Análisis de operatividad de la planta

El primer paso para iniciar con la evaluación de la producción y comercialización del

biol es analizar la operabilidad de la planta . Donde se puede constatar rápidamente que

existen equipos dentro del proceso, los cuales se encuentran bloqueando la

funcionalidad total del proceso. El primero de ellos, y el más preocupante, es el sistema

de trituración, el cual no está cumpliendo su función de forma adecuada. Esto se debe a

que el tamaño máximo de las partículas que ingresan al reactor debería ser de 1 cm (10).

El tamaño actual de las partículas obtenidas del proceso de reducción de tamaño es


considerablemente superior. Por esta razón se produce taponamiento de bombas y

tuberías dentro del proceso con una frecuencia semanal. Adicionalmente, el sistema de

pesaje instalado dentro de la planta no se encuentra en funcionamiento debido a que es

muy ineficiente y sufre de constantes problemas.

En cuanto a la alimentación, el uso de estiércol bovino provoca una serie de dudas. Al

ser un desecho agrario se debe tener mucho cuidado en su empleo por la capacidad de

contagio de enfermedades. El olor producido, al estar cerca de una planta de

procesamiento de alimentos, no es deseable. La disponibilidad también es un limitante y

una de las razones de la alimentación irregular que sufre el reactor en muchas ocasiones.

El sistema de recolección de biogás no se encuentra implementado. Se necesita instalar

un gasómetro para la recolección del biogás y poder emplearlo energéticamente. Con

ello, se puede poner en marcha el compresor, bala de recolección, calefón, calderin y

llama piloto.

El biol producido puede mejorar sus características en composición de macro-nutrientes

y micro-nutrientes con el incremento de la capacidad de alimentación en el proceso. De

igual forma, es necesario un sistema de eliminación de organismos patógenos, el cual es

necesario implementar en el intercambiador de calor U5 haciéndolo operar al menos a

70°C al momento de pasar la mezcla reactiva al sistema de almacenamiento final. Esta

acción elimina de igual forma cualquier microorganismo presente, por lo cual se evitará

la degradación en el sistema de almacenamiento final; permitiendo obtener así un

producto con características estables.

4.3. Análisis de estabilidad del proceso

Con el objetivo de observar el estado del proceso de digestión anaerobia se analizan

parámetros que se busca mantener constantes. Sin embargo, debido a oscilaciones


propias en el control diario del proceso se deben observar tendencias de los parámetros

cronológicamente. Los análisis se inician el 4 de junio del 2014 y se llevan a cabo hasta

el 18 de noviembre del mismo año. En este tiempo se puede dividir la operación en tres

etapas: desde el 4 de junio hasta el 30 de junio se mantenían las condiciones de

operación establecidas desde la puerta en marcha, después del 30 de junio hasta el 29de

agosto la planta detuvo su operación para lograr destapar tuberías, la última etapa va

desde el 29 de agosto hasta el 18 se septiembre donde se implementaron ciertos cambios

en la operación de la planta.

Como se puede observar en la Figura 4.1 existen variaciones en los valores obtenidos de

pH, pero se pueden observar diferencias en los valores de pH en los diferentes puntos

del proceso. La alimentación tienen los valores más bajos 5,3 hasta 7,4 en la primera

etapa y desde 4,4 hasta 6,4 en la tercera etapa. El caso de la alimentación es diferente,

debido a que presenta valores claramente ácidos y con poca estabilidad. Esto se debe a

que en ciertas fechas de medición la fruta usada pudo haber salido directo de la planta

de producción de pulpas y jugos Latinoamericana de Jugos S.A., o en su defecto haber

estado almacenado a la intemperie hasta que se disponga su uso, lo cual ocasiona un

descenso del pH.


Figura 4.1: pH con respecto a la fecha de operación

Con respecto a las muestras de la mezcla reactiva tomadas en la parte inferior y superior

del biorreactor se observa en la primera etapa un claro ascenso de los valores de pH con

respecto al inicio de los análisis. Lo cual indica una transición a un proceso de

estabilización debido al aumento de la recirculación, el cual arrancó el 4 de junio. La

segunda etapa no se puede evaluar de forma adecuada debido a que no existía una

correcta recirculación, lo cual hace que las muestras no sean representativas, sin

embargo se mantuvo valores de pH muy cercanos a 7. La última etapa empieza el 29 de

Agosto, en la cual se puede observar una estabilización del proceso en los valores de pH

para las 2 mezclas internas y para el producto final obtenido. En el cual se demuestra

una alta estabilidad y valores óptimos para el funcionamiento debido a que se mantienen

dentro del rango óptimo de pH entre 6,5 a 7,5.

4.3.1. Ácidos grasos volátiles y alcalinidad

La alcalinidad registra la capacidad tampón de una solución, mientras que el valor de

ácidos grasos volátiles (AGV) registra la cantidad de ácidos orgánicos disueltos. Esto


quiere decir que para mayores valores de alcalinidad, esta podrá mantener en solución

valores más altos de AGV.

En la Figura 4.2 se puede observar la relación entre los valores de AGV y la alcalinidad.

Para lo cual es importante destacar que no se han analizado los valores obtenidos de

estos parámetros para la alimentación.

El intervalo de interés corresponde a la última etapa de análisis debido a que es la única

que mantiene condiciones constantes y se puede analizar sin la participación de agentes

externos de operación de la planta. Para lo cual, se puede observar que en general se

tiene valores adecuados de alcalinidad. Con un valor medio estable entre 1500 a 2000

mg/L, lo cual es bastante aceptable si se considera que los valores nominales se deben

mantener entre 1000 a 5000 mg/L (5). Con excepción de los primeros tres valores

registrados se puede decir que el valor guarda cierta estabilidad.

Figura 4.2: Análisis de alcalinidad y AGV con respecto al tiempo

Los valores de AGV obtenidos son considerablemente bajos, tomando en cuenta que el

valor nominal de operación a condiciones de temperatura mesofílicas debe ser inferior a


1500 mg/L. Para lo cual, se pudiese aumentar la carga orgánica al doble sin esperar

mayores problemas.

En resumen, se puede conocer que el reactor no está trabajando a una capacidad

adecuada debido a que los valores generales de ácidos grasos volátiles se encuentran en

valores inferiores al rango. La capacidad buffer de la solución digestora es adecuada y

pudiese soportar un aumento de la carga orgánica en la alimentación. Adicional a ello,

el parámetro de estabilidad sugiere que la relación entre valores de AGV y alcalinidad

debe estar alrededor de 0,5 a 1. El valor aproximado de esta relación para el sistema de

operación actual es de 0,15.

Esto indica que los niveles de materia orgánica que están ingresando al reactor son muy

bajos con respecto a la estabilidad que presenta. Para lo cual la alimentación pudiese

aumentarse sin ningún problema.

4.3.1. Análisis de demanda química de oxígeno

La DQO representa indirectamente la cantidad de materia orgánica presente en una

muestra. El análisis de DQO se puede utilizar para observar el avance del proceso.


Figura 4.3: DQO en función del tiempo

Como se puede observar en Figura 4.3 existen tres etapas de análisis. En la primera

etapa se inicia el estudio. La segunda parte, representa un tiempo muerto de trabajo, en

el cual no se obtuvieron resultados. En esta última parte del gráfico se puede observar

como la carga orgánica comienza a estabilizarse dentro de ciertos parámetros. Lo cual

es importante para llegar a la estabilidad del proceso.

Se nota una degradación consistente de lo materia orgánica. Además, dentro del reactor

no se observan grandes diferencias en el análisis de la parte superior e inferior.

4.3.2. Sólidos totales y sólidos orgánicos totales

La evaluación de sólidos totales puede dar una rápida aproximación para determinar si

se está produciendo o no una degradación en el proceso. La forma más rápida de hacerlo

es comparar los valores entre la entrada y la salida. Lo cual se puede observar de forma

rápida en la Figura 4.4.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

16-may 05-jun 25-jun 15-jul 04-ago 24-ago 13-sep 03-oct 23-oct 12-nov 02-dic

Dem

and

a Q

uím

ica

de

Oxí

gen

o [

mg/

L]Alimentación

Inferior

Superior

Biol


Figura 4.4: Análisis de sólidos totales a la entrada y salida del proceso

En esta figura se puede apreciar de forma directa que el proceso si está degradando la

materia. Debido a que en todo momento se encuentra una brecha significativa entre los

valores registrados de sólidos totales para la alimentación y el biol.

De igual forma se puede comprobar la homogeneidad de la mezcla reactiva entre la

parte superior e inferior del reactor, al apreciar la Figura 4.5. Exceptuando las áreas 1 y

2, señaladas con círculos; los valores de TS registrados en la parte inferior del reactor

son superiores a la parte superior del reactor. Esto indica que los sólidos se sedimentan

en la parte inferior, como es adecuado.


Figura 4.5: Análisis de homogeneidad dentro del reactor

Para poder observar cual es la composición de la materia orgánica que se introduce al

reactor es necesario obtener la diferencia entre los valores de TS y oTS. Lo cual se

puede observar de forma gráfica en la Figura 4.6. La relación entre TS y oTS indica el

porcentaje de sólidos que corresponde a sólidos orgánicos, esta relación debe

mantenerse entre un 60-80 %, lo cual indica que existe un bueno contenido de materia

orgánica para degradar.


Figura 4.6: Determinación de M.O por análisis de sólidos

Se calcula el porcentaje de materia orgánica promedio con respecto a la cantidad de

sólidos totales, despreciando los valores fuera de rango y se presentan en la Tabla 4.1.

Tabla 4.1: Porcentaje de materia orgánica

En la mezcla reactiva se observa que el valor se encuentra muy cercano al 50%, el cual

es el límite inferior y por lo tanto se debería buscar la forma de aumentarlo. El 69% de

Alimentación Superior Inferior Biol

08/09/2014 - 6,83 63,76 91,07

16/09/2014 - - 58,84 -

23/09/2014 26,78 21,32 45,59 61,08

30/09/2014 35,22 61,24 30,53 59,76

08/10/2014 60,42 - 71,34 -

14/10/2014 47,59 82,80 - 92,35

23/10/2014 38,86 43,33 58,16 52,60

31/10/2014 100,00 17,19 62,45 62,91

12/11/2014 34,14 52,33 46,30 64,64

18/11/2014 - 49,65 51,17 64,76

Promedio 49,00 41,83 54,24 68,65

Materia Orgánica (%)Fecha


materia orgánica determinado en el Biol demuestra que en el tanque de disposición final

se produce una degradación adicional a la del reactor.

Si se toman en cuenta los porcentajes promedio de TS y oTs de las muestras es más

fácil evidenciar el avance del proceso y el bajo nivel de carga orgánica al que está

operando el reactor. El porcentaje de sólidos totales en la alimentación está cerca de

1,5%. El rango idóneo de alimentación está entre el 8 y 12%. Mientras que, la cantidad

de materia orgánica en la alimentación es alrededor del 1%. Lo cual si se compara con

el valor mencionado de TS, se puede observar que el porcentaje de materia orgánica si

se encuentra alrededor de un 60%. Por lo cual la relación en la mezcla de alimentación

en cuanto a las fuentes vegetales y animales es la correcta.

4.3.3. Sólidos suspendidos totales y sólidos suspendidos volátiles

La cantidad de sólidos suspendidos volátiles ayuda a determinar la presencia de biomasa

dentro del proceso. Es un método indirecto de conocer la cantidad total de

microorganismos dentro de las diferentes etapas del proceso. En adición la diferencia

entre los sólidos suspendidos totales y los sólidos suspendidos volátiles determina la

cantidad total de materia inorgánica en forma de minerales en sus formas oxidadas,

presentados como cenizas.

La cantidad de cenizas total es un parámetro de evaluación de diferentes nutrientes que

se pueden encontrar dentro del producto. Pero al ser una medida indirecta es necesaria

complementarla con un análisis más específico. La variación dentro del proceso se da

debido a la acumulación que se presenta durante el tiempo. Los resultados se pueden

observar en la Tabla 4.2. Los valores registrados dentro del reactor guardan valores muy

similares, con un promedio general de 1252,21 mg/L para la parte superior del reactor y


1246,50 mg/L en la parte inferior. Lo cual quiere decir que la mayor cantidad de

compuestos inorgánicos se encuentran en solución.

Si se toma en cuenta la diferencia entre los valores de alimentación y biol, resulta

interesante observar que solo la mitad se conserva. Lo cual resalta que muchos de los

minerales que ingresan al reactor son empleados por los microorganismos que llevan a

cabo la descomposición.

Tabla 4.2: Materia inorgánica presente en el reactor

Se relaciona la cantidad de microorganismos dentro del reactor con la cantidad de

sólidos volátiles suspendidos. Donde se puede medir si los mismos se encuentran bien

distribuidos dentro del sistema, y en adición la cantidad total de bacterias que quedan

después de la estabilización del biol. Para hacer un análisis rápido es más fácil enfocarse

en los valores promedio descritos en la Tabla 4.3. En los cuales se determina que el

proceso se está manteniendo homogéneo si se observa que en la parte inferior del

reactor existen 3047,08 mg/L y en la parte superior 2856,54 mg/L, los cuales no marcan


04/06/2014 - 1000,00 1320,00 300,00

11/06/2014 1534,00 800,00 400,00 67,00

19/06/2014 - 134,00 400,00 -

27/06/2014 1813,00 533,00 987,00 -

08/09/2014 - 2463,00 1937,00 1556,00

16/09/2014 - 3004,00 1678,00 1116,00

23/09/2014 1648,00 1435,00 1524,00 280,00

30/09/2014 832,00 867,00 259,00 207,00

08/10/2014 631,00 503,00 - -

14/10/2014 1287,00 405,00 1100,00 1002,00

23/10/2014 2081,00 1322,00 1821,00 1352,00

31/10/2014 2945,00 1380,00 1491,00 1116,00

12/11/2014 1930,00 1743,00 2041,00 1266,00

18/11/2014 - 1942,00 - 840,00

Promedio 1633,44 1252,21 1246,50 827,45

Materia Inorgánica [mg/L]Fecha


una diferencia importante. La concentración determinada en la alimentación demuestra

un valor sumamente superior, 9320,78 mg/L, lo cual es por la mala filtración y

trituración de la fruta. Al final del proceso, se encuentra que la estabilización del biol

ayuda a reducir los microorganismos presentes y por tanto asegurar que el producto

tenga menor riesgo biológico (846,00 mg/L).

Tabla 4.3: Biomasa dentro del proceso

4.3.4. Producción de biogás

La producción de biogás cuenta con una extensa base de datos, los cuales han sido

recogidos del 12 de diciembre del 2013 hasta el 18 de noviembre del 2014. En ellos, se

puede observar de forma clara la variabilidad en la producción. Lo cual representa la

poca estabilidad con la que se ha desarrollado para el proceso. En adición, se comprobó

que existen anotaciones erróneas para la producción de biogás por parte del operario lo

cual altera de forma significativa el estudio.


04/06/2014 - 2900,00 4420,00 760,00

11/06/2014 12966,00 3400,00 2233,00 400,00

19/06/2014 - 1346,00 3120,00 -

27/06/2014 17773,00 4373,00 5066,00 1746,00

08/09/2014 - 3246,00 738,00 1130,00

16/09/2014 - 3347,00 330,00 -

23/09/2014 13817,00 4952,00 6609,00 530,00

30/09/2014 3651,00 2704,00 1168,00 455,00

08/10/2014 2154,00 164,00 - -

14/10/2014 5166,00 - 2653,00 1579,00

23/10/2014 4737,00 2365,00 3059,00 1003,00

31/10/2014 18218,00 2079,00 3588,00 639,00

12/11/2014 5405,00 3004,00 3581,00 452,00

18/11/2014 - 3255,00 - 612,00

Promedio 9320,78 2856,54 3047,08 846,00

Biomasa [mg/L]Fecha


Figura 4.7: Producción de biogás en función del tiempo

Como se puede observar en la Figura 4.7 la producción de biogás tiene varias

oscilaciones y no demuestra estabilidad. Sin embargo, se debe tomar en cuenta que el

avance del proceso está descrito en función de diversos factores de operación. Como

son el taponamiento de tuberías, el no mantener una alimentación constante por falta de

materia prima animal o vegetal. La primera etapa consiste en la recopilación de datos

bajo diferentes condiciones de operación, y se observa que no existe una estabilidad

determinante. En la segunda etapa considerada como taponamiento total de tubería se

puede observar que existe un decaimiento importante. En la tercera etapa se puede

observar que comienza a aumentar la producción.

4.3.5. Macro-nutrientes y micro-nutrientes

El análisis de macro y micro nutrientes se llevó a cabo por medio de absorción atómica.

Fue desarrollado por la empresa INIAP y de forma paralela en el laboratorio del

Departamento de Ingeniería Química. Obteniendo los resultados resumidos en la Tabla

4.4.


Tabla 4.4: Análisis de nutrientes

La diferencia en los resultados obtenidos no son de suma importancia si se toma en

cuenta que las muestras no fueron tomadas en la misma fecha, y que las muestras están

sujetas a variaciones propias del proceso. El objetivo de hacer los análisis por duplicado

es validar los resultados internos y complementar los elementos que no se pueden

determinar internamente.

Para comparar las propiedades del biol producido en la planta de degradación

anaeróbica ubicada en Latinoamerica de Jugos S.A. se utilizó el biol generado por

Agropesa y comercializado por Corporación Favorita C.A., cuyos resultados se

encuentran más adelante en la sección 4.6 en la Tabla 4.9.

4.4. Interpretación y evaluación de resultados

Para evaluar el estado del proceso, se deben definir los parámetros necesarios para

determinar la degradación que se produce en el reactor. En primer lugar se debe definir

el volumen de operación. Esto se debe a que por variaciones en la operación del sistema

las condiciones de flujo de alimentación, el volumen de operación puede tener

variaciones.

Iniap LaDEA

Nitrógeno (N) - 35

Fósforo (P) 9,19 9,305

Potasio (K) 205,71 185,7

Calcio (Ca) 45,83 36,88

Magnesio (Mg) 19,3 -

Sodio (Na) 4,03 8,14

Cobre (Cu) 107 112,2

Hierro (Fe) 3797 23225

Manganeso (Mn) 117 177,9

Zinc (Zn) 129 -

Azufre (S) 53,94 -

NutrienteConcentración [mg/100mL]

Concentración [µg/100mL]


Con el análisis de los datos de control se determina que el volumen de operación

promedio se encuentra en 26 m3. Por otra parte, la alimentación es sumamente aleatoria

con pequeñas variaciones en cuanto a las cantidades alimentadas. La alimentación está

generalmente compuesta de 100 kg de naranjilla, 25 kg de estiércol y 100 litros de agua.

Resultando un flujo volumétrico final de 0,232 m3/día.

4.4.1. Balance de masa

El balance de masa se realiza en función de la DQO a la entrada y la salida de reactor. A

este se le multiplica el caudal de cada uno de los flujos. El factor de acumulación vendrá

dado por la diferencia de los valores de DQO entre la muestra obtenida de la parte

superior e inferior del reactor multiplicando por el volumen de reacción.

Lo que se busca el factor de degradación, el cual determina el avance de la actividad

microbiana y esta dado por la Ecuación 3.10. Los resultados del análisis se pueden

observar en la Tabla 4.5. La remoción específica se calcula por medio de la Ecuación

3.16.

Tabla 4.5: Balance de masa y degradación específica

La remoción específica permite observar cuanta materia orgánica está siendo degradada

por los microorganismos por unidad de volumen de reactor, lo cual se puede observar

FechaEntrada [kg

DQO/ día]

Salida [kg

DQO/ día]

Acumulación

[kg DQO/ día]

Degradación

[kg DQO/ día]

Remoción

Específica [kg

DQO/m^3*día]

11-jun 2,04 0,45 2,08 3,67 0,14

27-jun 1,75 0,27 -0,30 1,17 0,04

23-sep 2,11 0,50 9,75 11,36 0,44

30-sep 1,21 0,44 17,94 18,71 0,72

08-oct 1,58 1,20 8,71 9,09 0,35

14-oct 1,34 0,82 11,31 11,83 0,46

23-oct 2,05 0,56 4,81 6,29 0,24

31-oct 1,16 0,42 10,14 10,87 0,42

12-nov 2,07 0,42 11,31 12,96 0,50


en la Figura 4.8. Los valores son bastante aceptables debido a que la mayor parte de la

materia orgánica se está degradando en el proceso. Sin embargo, existen valores

negativos que provienen por valores muy altos en la acumulación, producidos por las

variaciones propias del método de medición.

Figura 4.8: Remoción específica de DQO

4.4.2. Producción específica de biogás

En cuanto a la producción específica de biogás, se tienen los valores tabulados de

acuerdo a la fecha de análisis y al volumen de alimentación ingresado resumidos en la

Tabla 4.6. La Ecuación 3.15 se emplea para determinar la producción específica a partir

del flujo másico en la alimentación.

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

16-may 05-jun 25-jun 15-jul 04-ago 24-ago 13-sep 03-oct 23-oct 12-nov 02-dic

Re

mo

ció

n e

spe

cífi

ca [

kg

DQ

O/m

^3

Re

acto

r *

día

]


Tabla 4.6: Producción específica

Los valores obtenidos para producción específica de biogás son bastante bajos debido

al flujo de alimentación mínimo con el cual está operando la planta. Para estudios

similares la producción específica alcanzó valores de 1,2 m3biogás/ m

3 reactor (10)

frente a un promedio de 0,27 m3biogás/ m

3 reactor. Se estima que regulando los niveles

de alimentación y aumentando los mismos, se logre obtener una mayor producción de

biogás 4 veces mayor. La variación de la producción específica se puede observar en la

Figura 4.9.

Fecha

Flujo másico

[kg DQO feed

/d]

Biogás

[m^3 / d]

Producción

específica

[m^3

biogás/kg

DQO feed]

Producción

biogás [m^3

biogás/m^3

reactor]

11-jun 2,04 5,07 2,49 0,20

27-jun 1,75 7,84 4,49 0,30

23-sep 2,11 8,42 3,99 0,32

30-sep 1,21 6,10 5,05 0,23

08-oct 1,58 7,22 4,59 0,28

14-oct 1,34 6,89 5,13 0,26

23-oct 2,05 7,49 3,66 0,29

31-oct 1,16 8,84 7,65 0,34

12-nov 2,07 5,91 2,85 0,23

Promedio 1,70 7,09 4,43 0,27


Figura 4.9: Producción específica

4.5. Implementación de sistema de utilización energética de biogás

La utilización energética de biogás comprende una evaluación de los diferentes equipos

empleados para almacenarlo, tales como el gasómetro, el compresor y la bala de gas.

Además, se evalúan las máquinas que usan para el aprovechamiento de la energía

contenida en el biogás, entre ellos se encuentran: caldero, calefón, llama piloto y

generador eléctrico.

Para lograr comprobar el funcionamiento tano del compresor como de la bala, fue

necesario implementar un sistema de recolección temporal. El cual consta de dos boyas

sumergidas dentro de tanques de agua, las cuales permiten que el gas liberado por la

degradación se pueda retener de forma temporal antes de ser llevado a la bala de gas.

Evitando que en el traslado se generen niveles bajos de presión que pueden provocar

diferentes problemas en el proceso. Uno de ellos puede ser el taponamiento de las

tuberías de gas por un paso inesperado de biol. El sistema temporal se puede observar

en la Figura 4.10.


Figura 4.10: Sistema de recolección temporal de biogás

Figura 4.11: Esquema del sistema de recolección temporal de biogás

En la Figura 4.11 se pueden reconocer 3 partes esenciales del sistema de recolección

temporal. En la esquina inferior derecha marcada con círculo rojo y con el número 1, se

observa la entrada del biogás al sistema de recolección. El cual tiene una llave que

permite cerrar la entrada, lo cual es necesario cuando se pone a trabajar al compresor.

En la esquina superior izquierda, marcado con un círculo rojo y con el número 2; se

observan las llaves de ingreso dentro al sistema de 2 fundas diferenciadas. En la parte


central de abajo y marcado con el número 3 se puede observar el sistema de nivelación

de agua. Las válvulas ubicadas en los puntos 2 y 3 permiten trabajar con uno solo de los

tanques en caso de que alguno sufra de un fallo. La Figura 4.10 es el sistema de

recolección real, sobre el cual también se encuentran señalados las circunferencias

mencionadas.

El interior del gasómetro consta de una funda de PVC, las cuales pasan por un proceso

de control de fugas. Este control consiste en llenar individualmente cada una de las

fundas, sin agua dentro de los tanques, y una vez llenas comenzar a llenar de agua con

jabón hasta lograr sumergir por completo la bolsa. Se observa por un tiempo si existe

algún tipo de burbujeo que delate alguna fuga o reducción en el volumen de aire. No se

observó ningún problema durante todo el tiempo que se emplearon las fundas. El

llenado de las fundas bajo condiciones normales de operación dentro de los tanques se

puede observar en la Figura 4.12. El tiempo de llenado para cada una de las fundas fue

alrededor de 7 minutos.


Figura 4.12: Gasómetro de biogás provisional

Una vez llenado el sistema de recolección provisional es necesario almacenar biogás

dentro de la bala. Con el objetivo de observar si existen fugas dentro de la misma, y

además tener una presión mínima para poner a funcionar ciertos equipos. Lo cual

resulto exitoso, debido a que se llenó la bala con biogás a una presión de 2 PSI y no se

observó ningún tipo de caída de presión en un periodo de 3 días. Dicho experimento se

puede observar de forma gráfica en la Figura 4.13.


Figura 4.13: Prueba de fugas en la bala de biogás

El biogás almacenado se puede utilizar para probar los diferentes equipos de utilización

energética: calefón, calderín y llama piloto. Adicionalmente, es necesario ponerlos a

funcionar con gas licuado de petróleo (GLP). El resumen de las pruebas de

funcionamiento de los diferentes equipos se pueden observar en la Tabla 4.7.

Tabla 4.7: Pruebas de funcionamiento en equipos de uso de biogás

Al realizar un análisis de los resultados de las pruebas de funcionamiento se concluyo lo

siguiente. La falla en el funcionamiento de la llama piloto se da debido a que no existe

una fuente de corriente adecuada, y en la evaluación con el voltímetro la chispa de

ignición se encontraba fuera de servicio. El calefón, fue el único equipo que pudo

funcionar con ambas fuentes de combustible sin presentar ningún tipo de problemas. En

cuanto al calderín, se tienen problemas similares a las de la llama piloto en donde la

Equipo Biogás GLP

Llama Piloto No No

Calefón Sí Sí

Caldero No No

Generador Eléctrico No Sí


fuente de energía no está trabajando de forma adecuada. El generador eléctrico tuvo un

gran arranque con el GLP, sin embargo, al pasar a biogás al parecer no se tuvo una

presión adecuada para que el mecanismo funcione.

4.6. Comparación del biol con una marca comercial

Para conocer las ventajas del biol con respecto a otros fertilizantes orgánicos líquidos

comerciales se realizó un estudio de brenchmarking. Los resultados obtenidos para la

marca comercial sirven como punto de partida para lograr definir cambios posteriores

que se pueden realizar al proceso para alcanzar niveles de competencia dentro del

mercado. Se analizó al producto comercial con las mismas pruebas desarrolladas a lo

largo del control del proceso del biol.

Tabla 4.8: Descripción de marca comercial

Siguiendo los mismos parámetros empleados en el desarrollo del estudio se puede

observar que el valor de pH de la marca comercial es ligeramente básico. En adición el

valor obtenido para ácidos grasos volátiles se encuentra por debajo de los valores

nominales de operación de un reactor anaeróbico. El valor de alcalinidad por otra parte

representa un valor dentro del rango de operación normal. La relación entre ambos

valores se encuentra alrededor de 0.1; lo cual es un valor bastante bajo. Se puede asumir

Descripción Unidades Agropesa Biol (promedio)

pH [-] 8,45 7,42

AGV [mg CH3COOH / L] 28,57 94,58

Alcalinidad [mg CaCO3 / L] 2755,10 1801,54

Sólidos Totales [mg / L] 9253,27 6613,98

Sólidos Orgánicos Totales [mg / L] 6477,29 2387,10

Sólidos Suspendidos Totales [mg / L] 537,00 1530,80

Sólidos Suspendidos Volátiles [mg / L] 250,60 846,00

DQO [mg / L] 40200,00 2691,64


que el biol comercial se está añadiendo una fuente externa de carbonato de calcio,

debido al valor encontrado y el contenido de sólidos.

La relación obtenida para la cantidad de sólidos se encuentra dentro de los parámetros

esperados, alrededor de un 10% en masa. Y no se puede mencionar un valor ideal para

los mismo porque se desconocen las etapas de post-tratamiento por las cuales pasa el

producto final obtenido. Sin embargo, el porcentaje de materia orgánica obtenido en el

producto final es de alrededor del 70% de los sólidos. Muy similar al biol obtenido en la

planta de tratamiento de desechos estudiada. Sin embargo, en cuanto a la cantidad total

de materia orgánica en la marca comercial se puede observar que es superior al biol

estudiado, en relación 3:1.

El valor con mayor diferencia es la DQO, para la cual los valores obtenidos para la

marca comercial son superiores por un factor superior a 10 con respecto al estudiado.

Lo cual significa que la carga orgánica del biol comercial es superior al del reactor de

estudio.

En adición, la marca comercial reporta valores para diferentes macro y micro nutrientes.

Los cuales se presentan dentro de la Tabla 4.9. En donde comparando con el producto

investigado en este proyecto (Tabla 4.10), se obtiene que los niveles de nitrógeno del

biol estudio son inferiores por un factor de 10; y para el fósforo la marca comercial es

superior por un factor ligeramente superior a 5.


Tabla 4.9: Macro y micro nutrientes para la marca comercial

El análisis de nutrientes se expuso en el capítulo 4.3.6, en donde se detalla los dos

diferentes laboratorio empleados así como los resultados obtenidos. Los resultados se

pueden observar en la Tabla 4.10 incluyen los valores obtenidos para el análisis del biol

estudio, como promedio de los análisis realizados, y los reportados en la marca

comercial.

Tabla 4.10: Nutrientes dentro del biol

Se puede observar que el biol es superior en la mayoría de macro nutrientes, con

excepción del fósforo (P) y el nitrógeno (N). Se debe tomar en cuenta que la mayor

Iniap LaDEA Promedio Agropesa

Nitrógeno (N) - 35,00 35,00 430,00

Fósforo (P) 9,19 9,31 9,25 50,00

Potasio (K) 205,71 185,70 195,71 60,00

Calcio (Ca) 45,83 36,88 41,36 20,00

Magnesio (Mg) 19,30 - 19,30 2,30

Sodio (Na) 4,03 8,14 6,09 -

Cobre (Cu) 107,00 112,20 109,60 -

Hierro (Fe) 3797,00 23225,00 13511,00 -

Manganeso (Mn) 117,00 177,90 147,45 -

Zinc (Zn) 129,00 - 129,00 -

Azufre (S) 53,94 - 53,94 -

Concentración [mg/100mL]

Concentración [µg/100mL]

Nutriente


cantidad de los nutrientes determinados pueden aumentar su concentración si el nivel de

alimentación general del reactor incrementa en carga orgánica y volumen de

alimentación diario.

Las propiedades de los violes no solo se definen por el contenido de macro-nutrientes y

micro-nutrientes, como es el caso de los fertilizantes sintéticos. En los bioles se debe

considerar además disponibilidad para la planta, microorganismos que puedan generar

simbiosis en las raíces, movilidad dentro de la planta y la presencia fitohormonas

provenientes del residuo, entre otros. Estos componentes hacen que la evaluación y

comparación de los violes sea mucho más difícil. Por esta razón se han recolectado

testimonios de agricultores que han utilizado el biol.

Hector Saldumbaña empleó el biol en el cultivo de papa durante todo el

proceso de formación del producto. Para lo cual, aplicaba 25 L en un área

menor a una hectárea, directamente al suelo 1 vez por mes. Y logro obtener

tubérculos de mayor tamaño en toda la cosecha, además de una mayor

cantidad en la producción.

Elsa Barrera empleó el producto en jardinería doméstica. Para lo cual emplea

1 L del producto de forma directa en un área de 50 m2, lo aplica con

regularidad cada 15 días. Las mejoras que ha obtenido son un mayor

crecimiento en diferentes especies, así como una floración más rápida y

duradera. En cultivos caseros de frutos cítricos, identifico una mayor

capacidad de producción por cada una de las plantas; así como mejoras en el

dulzor de los alimentos y el tamaño de cada uno de ellos.

Diferentes testimonios han aseverado que el uso del biol ha generado diferentes

beneficios, sin embargo para lograr determinar las propiedades exactas del producto es


necesario llevar a cabo estudios más detallados. En los cuales se compare las mejoras

frente a un cultivo que no implemente ningún tipo de fertilizante, otros que

implementen fertilizantes líquidos orgánicos que se comercialicen actualmente y el

último con el biol obtenido. Este tipo de estudio se puede llevar a cabo en diferentes

tipos de cultivos, para saber en cuál de ellos se genera una mayor cantidad de beneficios

y poder enfocarse en un mercado más específico. Sin embargo, como preámbulo, se ha

demostrado que los usuarios del biol se muestran contentos con los resultados en sus

cultivos.

4.7. Resultados obtenidos en fitohormonas

El análisis de fitohormonas se realizó para los estándares artificiales de: GA3, GBA e

IBA, y la muestra de biol en el equipo GC-MS. Con el objetivo de determinar

parámetros de análisis como el tiempo de residencia y el área que producen los picos

obtenidos a concentraciones conocidas. Cada uno de los estándares tiene un tiempo de

residencia que lo clasifica dentro de un grupo de fitohormonas.

La concentración promedio de cada uno de los estándares es de alrededor del 0,1% en

masa. Conociendo la concentración de los estándares se puede determinar la

concentración de las fitohormonas presentes en la muestra de biol.

Al existir una gran variedad de fitohormonas es difícil obtener el estándar adecuado

para realizar una comparación de la concentración de fitohormonas. Es por ello que se

debe comparar los resultados con el estándar con mayor proximidad. La diferencia entre

una u otra fitohormona puede ser simplemente la adición de un grupo funcional sencillo

o la elongación de una de las ramificaciones. En cualquier caso, si se toma el tamaño

total de la molécula y se lo compara con las pequeñas variaciones, la determinación de

la concentración por comparación es bastante acertada.


Los parámetros mencionados se pueden observar en la Tabla 4.11, en donde se

compilan las señales obtenidas en el equipo de GC-MS y se las registra como “picos”.

El número de señales obtenidas en el análisis a detalle se puede observar en los anexos 5

al 8. Para la muestra de biol, se debe tener en cuenta que se toman las 364 señales que

arroja el análisis, pero solo una de ellas es determinante para el propósito requerido.

Tabla 4.11: Detalle de picos encontrados en el análisis de estándares y biol

El tiempo de retención obtenido para determinar la presencia de auxinas (Muestra IBA

pico 2,Tabla 4.11) se encuentra alrededor de los 4 minutos. En el espectro del Biol

(Anexo 5), no se encuentran picos representativos en este tiempo de retención. Por lo

que se puede decir que el biol no contiene Auxinas.

Para las giberalinas se emplearon 2 estándares diferentes, los cuales arrojan que el

tiempo de retención se encuentra alrededor de los 22 y 30 minutos (Muestra GA3 pico 2

y Muestra GBA pico 2, Tabla 4.11). Al comparar con los picos del análisis de biol se

encuentra una señal de gran importancia, la cual es muy cercana a la señal obtenida con

el estándar de GA3. Lo cual permite deducir que sí existen giberalinas. Sin embargo,

para determinar con exactitud la giberalina presente es necesario compararlo con una

mayor cantidad de estándares o con bases de datos.

El nombre de los compuestos que se presentan para cada uno de los picos en la Tabla

4.11 son comparados con la base de datos general que se tiene dentro del GC-MS. Sin

Muestra # de pico Tiempo de Retención (min) Area Altura Nombre

1 1,544 392671584 52394460 Metil di-sulfuro de hidrógeno

2 3,889 64032690 7271965 Dietil eftalato


2 22,682 66335120 18923796 Di-isocctil eftalato


2 29,708 15123135 2136971 Eftalazine-1,4(2H,3H)-dione

Biol 282 22,675 185949461 19583005 -

IBA

GA3

GBA


embargo, para el análisis se los compara adicionalmente con bases de datos específicas

de espectrómetro de fitohormonas (36). De igual forma las señales de Metil di-sulfuro

de hidrógeno corresponden a la degradación de aminoácidos a base de azufre, los cuales

forman parte de los estándares. El caso de interés para el análisis de giberalinas, para el

cual se comparan los resultados obtenidos en el espectro de la base de datos se muestra

a la Figura 4.15.

Figura 4.14: Estándar del espectro de masas del ácido giberélico (GA3) (36)

Los resultados obtenidos para el análisis de la muestra de biol se presentan en la Figura

4.15. Lo cual comparando con la figura anterior se puede notar una gran similitud en el

espectro. La cual está dada los picos representativos en el eje x (relación m/z), donde se

muestran señales en puntos semejante. Cada una de las señales se puede comparar con

los pesos moleculares denotados en el eje, en donde cada una representa una estructura

molecular diferente. Y lo que se busca es que la unión de las diferentes partes conforme

una sola estructura que explique cada una de los picos. En la conformación general se

representa la forma estructural de la fitohormona conocida como GA3.


La similitud no se puede evaluar de forma exacta, debido a que pueden existir

diferencias por el método de extracción empleado o una posible degradación dentro del

proceso. Sin embargo, una comparación rápida con la base de datos arrojó una similitud

superior al 80%, lo cual verifica la presencia de una Giberalina.

Figura 4.15: Espectro de masas para el pico obtenido en la muestra de biol

Por las similitudes que se obtiene con la muestra de GA3 es posible determinar una

concentración aproximada. Para la comparación de concentración se calculó el área del

pico obtenido para cada una de las muestras y se relacionó directamente con la

concentración conocida del estándar. Estos datos se presentan en la Tabla 4.12. Para la

comparación se asume que el estándar utilizado tiene una pureza del 100%. La

concentración obtenida de esta relación debe ser duplicada debido a que el biol fue

diluido en una relación 1:2 en el método de extracción empleado. Resultando en una

concentración del 0,7% de giberalinas dentro del biol.

Tabla 4.12: Determinación de la concentración de giberalinas


Muestra Concentración [%] Área del pico

GA ₃ 0,12 66335120

Biol 0,69 185949461

Conclusiones y Recomendaciones 108

5. Conclusiones y Recomendaciones

En este estudio se investigó la operación comercialmente rentable de la planta semi-

industrial de digestión anaerobia en Latinoamericana de Jugos S.A. a partir de dos

factores, la evaluación de la operación del biol y biogás, y la optimización del producto

obtenido. La baja eficiencia que tiene el sistema de trituración ocasiona taponamiento y

obstrucción de tuberías. Estos diferentes factores de operación, no permiten que la

planta trabaje bajo parámetros estables y, por tanto, se tenga una producción inestable

de biogás, la cual depende de una serie de circunstancias externas al proceso. Además el

biol obtenido tiene un alto contenido de partículas que dificultan la aplicación.

Además de ello, el sistema de uso de biogás necesita implementar mejoras y

mantenimiento en diferentes equipos. Uno de los más importantes es la construcción de

un gasómetro que trabaje continuamente en la planta. Además, es imprescindible poner

a funcionar la llama piloto para lograr reducir la contaminación al ambiente por el

metano que se está emanando. Los equipos de uso energético como el calderin y el

calefón pueden resultar importantes para mejorar los parámetros de funcionamiento

dentro de la operación. Tanto para aumentar la cinética de degradación, como para

lograr estabilizar al biol antes de su almacenamiento final. La producción de energía

eléctrica es una alternativa para reducir costos de consumo energético por parte de la

planta. Y con posibles aumentos de producción, lograr que se convierta en

autosustentable. La producción de la planta es de 42 /semana, lo cual puede producir

hasta 116 . Que se pueden emplear en su totalidad como energía

eléctrica.

Se encontró que la cantidad de nutrientes dentro del biol es buena al compararla con

otro fertilizante orgánico líquido, para ser comercializado en centros agrícolas. Pero se

Conclusiones y Recomendaciones 109

puede aumentar significativamente el contenido de nutrientes si se mejora el sistema de

reducción de tamaño de partículas y se aumenta la carga orgánica alimentada. En

adición, la determinación de presencia de Giberalinas hace que el producto sea más

interesante para los agricultores y beneficioso en el desarrollo de plantas ya que las

giberalinas estimulan el crecimiento del tallo, regulan la transición de la fase juvenil a la

fase adulta, influyen en la iniciación floral, promueven el establecimiento y crecimiento

del fruto, promueven la germinación de semillas y la producción de enzimas

hidrolíticas.

Bibliografía 110

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Anexos 114

6. Anexos

Anexo 1

Diagrama de flujo de la planta seme-industrial

Anexos 115

Anexo 2

Determinación de la demanda química de oxígeno

Anexos 116

Procedimiento para la determinación de demanda química de oxígeno (0-15000)

mg/L DQO

Método de digestión de reactor

Parte 1: Elaboración de la solución de digestión:

1. Secar 10.5 g de K2Cr2O7 en un crisol a temperatura de 150 °C durante 2

horas

2. Pesar 10.216 g de K2Cr2O7

3. Disolver en balón de 1 L el K2Cr2O7 con 500 mL de agua destilada

4. Agregar 167 mL de H2SO4 concentrado al balón de 1L (PRECAUCIÓN:

reacción exotérmica, agregar cuidadosamente el ácido por las paredes

del balón)

5. Dejar en reposo a la solución hasta que llegue a temperatura ambiente

6. Aforar la solución a 1L.

Parte 2: Preparación de la muestra:

1. Diluir la muestra en un balón de 100 mL. Se recomienda empezar con

una dilución 1:10 o 1:20 si la muestra es muy concentrada

2. Aforar la muestra a 100 mL

3. Agitar la muestra

4. Dejar el balón en reposo para que los sólidos se sedimenten

5. Tomar la muestra de la zona media del balón para evitar tomar los

sólidos que se encuentran en la base del balón

Parte 3: Preparación de los viales de digestión:

1. En los viales de digestión agregar las cantidades mostradas en la tabla 2.

Tabla 1: Volúmenes a utilizarse en los viales de digestión [3]

Muestra Solución de Ácido Volumen

Digestión Sulfúrico Final Total

mL mL mL mL

2,5 1,5 3,5 7,5

2,5 1,5 3,5 7,5

Viales de Digestión

Muestra

Estándares de calibración

Anexos 117

2. Agregar el ácido sulfúrico en el vial

3. Agregar la solución de digestión en el vial

4. Tapar el vial con la tapa plástica y agitar para homogenizar la mezcla.

5. Permitir que el vial se equilibre a temperatura ambiente (Es posible

almacenar los viales preparados con ácido sulfúrico y solución de

digestión para futuros análisis)

6. Agregar la muestra en el vial

7. Homogenizar la mezcla

8. Tapar el vial

Parte 4: Preparación del blanco

1. Seguir el procedimiento de preparación de viales de digestión, pasos 1 a

4

2. Agregar el agua destilada utilizada en la dilución de las muestras

3. Homogenizar la mezcla

4. Tapar el vial

Parte 5: Preparación y utilización del digestor

1. Encender el digestor DRB 200 ® y precalentarlo a 150 °C

2. Insertar los viales en el digestor

3. Digerir la solución durante 2 h

4. Concluidas las 2h de digestión, dejar los viales en el digestor hasta que la

temperatura en la pantalla marque 120 °C

5. Colocar cuidadosamente los viales en la gradilla

6. Dejar que los viales se equilibren a temperatura ambiente

Parte 6: Lectura de los viales

1. Insertar el adaptador COD/TNT en la celda de lectura del vial

2. Encender el colorímetro HACH DR 890 ®

3. Escoger el programa de lectura de DQO

Anexos 118

4. Asegurarse que los todo vial que se introduzca en la celda de lectura se

encuentre limpio. Si es necesario limpie las paredes externas del vial con

un pañuelo de papel (kleenex).

5. Insertar el vial blanco en la celda de lectura

6. Cubrir al vial con tapa proporcionada por el equipo HACH DR 890®

7. Encerar al colorímetro aplastando la tecla ZERO

8. Retirar el vial blanco de la celda de lectura

9. Insertar el vial que se desea medir

10. Cubrir al vial con tapa proporcionada por el equipo HACH DR 890®

11. Aplastar la tecla READ

12. Anotar el valor de la lectura

Anexos 119

Anexo 3

Determinación de Nitrógeno Total

Anexos 120

Procedimiento para la determinación de nitrógeno total (10-150) mg/L

Método TNT de digestión con persulfato

Parte 1: Preparación de la muestra:

1. Diluir la muestra en un balón de 100 mL. Se recomienda empezar con una

dilución 1:50 o 1:100 si la muestra es muy concentrada




5. Tomar la muestra de la zona media del balón para evitar tomar los sólidos que se

encuentran en la base del balón.

Parte 2: Preparación de muestras y utilización del digestor

1. Se enciende el reactor DRB 200. Se calienta de 103-106 °C.

2. Se prepara el blanco. Usando un embudo, se añade el contenido de un “total

nitrogen persulfate reagent poder pillow” a un “HR total nitrogen hydroxide

digestion vial”.

3. Se añaden 0.5 mL de agua destilada al tubo que contiene el hidróxido y el

persulfato. Se sella el tubo y se agita durante 30 segundos.

4. Se prepara la muestra. Usando un embudo, se añade el contenido de un “total

nitrogen persulfate reagent poder pillow” a un “HR total nitrogen hydroxide

digestion vial”.

5. Se añaden 0.5 mL de la muestra al tubo que contiene el hidróxido y el

persulfato. Se sella el tubo y se agita durante 30 segundos.

6. Se introducen el blanco y la muestra en el reactor DRB 200 durante 30 minutos.

7. Se remueven los tubos del reactor, usando guantes, para que se enfríen a

temperatura ambiente.

Parte 3: Lectura de los viales

1. Para ingresar el programa “Test ‘N tube HR total nitrogen”. Se aplasta la tecla

2. Se presiona 69 enter se observará en la pantalla:

mg/L, N y el ícono de zero.

3. Se añade el contenido de un “total nitrogen reagent A poder pillow” al tubo del

blanco digerido o de la muestra digerida durante y se los agita durante 15

segundos. Se presiona TIMER ENTER después de agitar. Se dará una reacción

de 3 minutos.

4. Después de que el timer suene, se debe añadir un “total nitrogen reagent B

powder pillow” al tubo de la muestra o el blanco. Se sella el tubo y se lo agita

durante 15 segundos. La pantalla mostrará 02:00 Timer 2. Se presiona Enter

después de mezclar . empezará un periodo de reacción de 2 minutos.

PRGM

7

CONC

6

PRINT

9

ENTER

Anexos 121

5. Después de que el timer suene, se quita la tapa de un “total nitrogen reagent C

vial”. Se añaden 2 mL de muestra digerida o blanco al tubo que contiene el

reactivo C. El tubo va a estar tibio.

6. Se sella al nuevo tubo y se lo invierte 10 veces para mezclarlo, se lo debe hacer

despacio.

8. La pantalla va a mostrar: 05:00 Timer 3. Se presiona Enter. Un periodo de

racción de 5 minutos va a empezar.

9. Se inserta el adaptador de COD/TNT en la celda, rotando el adaptador hasta que

calce, después se lo presiona hasta que quede sujeto.

10. Cuando el timer suene, se debe secar con un trapo húmedo el tubo nuevo (con el

reactivo C) que contiene el blanco. Se coloca el tubo en el adaptador con el logo

de Hach dando la cara a la parte frontal del instrumento. Se presiona recto hacia

abajo, en la parte superior del tubo, hasta que quede ajustado en el adaptador.

Cuidadosamente se coloca la tapa del instrumento.

11. Se presiona ZERO. El cursor se moverá a la derecha, entonces la pantalla

mostrará: 0 mg/L.

12. Limpiar con una toalla húmeda el tubo que contiene la muestra.

13. Colocar el tubo en el adaptador como se explica en el punto 16

Presionar la tecla READ y tomar el dato.

Anexos 122

Anexo 4

Determinación de Fósforo Total

Anexos 123

Procedimiento para la determinación de Fósforo total (0-1.75) mg/L

Método PhosVer 3 with Acid Persulfate Digestion TNT

Parte 1: Preparación de la muestra

1. Diluir la muestra en un balón de 100 mL. Se recomienda empezar con una

dilución 1:50 o 1:100 si la muestra es muy concentrada




5. Tomar la muestra de la zona media del balón para evitar tomar los sólidos que se

encuentran en la base del balón

Parte 2: Preparación de viales para reactor DRB 200:

1. Se enciende el reactor DRB 200. Se calienta a 150 °C.

2. Se prepara la muestra. Utilizando una pipeta se añade 5.0 ml de la muestra a

“Acid Hydrolyzable test vial”.

3. Usando un embudo se añade el contenido de un sobre de “Postassium Persulfate

Powder” al vial, se tapa herméticamente y se agita hasta que se disuelva.

4. Se coloca la muestra en el reactor DRB200 durante 30 minutos.

5. Se retira del reactor la muestra y se deja enfriar en un porta tubos de ensayo

hasta temperatura ambiente.

6. Usando una pipeta se añade 2 ml de “1.54 N sodium hydroxide” en el vial. Se

tapa y se agita.

Parte 3: Para el uso del colorímetro

1. Para ingresar el programa para el fosforo reactivo “Test ‘N tube ”. Se presiona la

tecla

2. Se presiona 82 ENTER se observará en la

pantalla: mg/L, PO4 y el ícono de zero.

3. Inserte el adaptador COD/TNT en la celda rotándo hasta que ingrese

correctamente.

4. Limpie con un pañito o una toalla la parte exterior de tubo que contiene la

muestra.

5. Coloque la muestra en el colorímetro, empujando el tubo hasta que la punta se

asiente en el adaptador. Tape la muestra y presione

a. (Para múltiples muestras solo encerar la primera vez y medir las demás

muestras después de añadir el reactivo PhosVer 3).

6. Remueva la tapa del vial y usando un embudo se añade el contenido de un sobre

de “Phos Vre3 Phosphate Reagent Powder” al vial, se tapa herméticamente y se

agita durante 10 – 15 segundos (el polvo no se disuelve completamente).

PRGM

7 SETUP

8

RECALL

2

ENTER

ZERO

Anexos 124

7. Se presiona TIMER ENTER después de agitar. Se dará una reacción de 2

minutos.

8. Limpie con un pañito o una toalla la parte exterior de tubo que contiene la

muestra.

9. Coloque la muestra en el colorímetro, empujando el tubo hasta que la punta se

asiente en el adaptador. Tape la muestra y presione Y se toma el

dato.

READ

.

+

Anexos 125

Anexo 5

Análisis de GC-MS para el Biol

Anexos 126

Anexo 6

Análisis de GC-MS para el IBA

Anexos 127

Anexo 7

Análisis de GC-MS para el GBA

Anexos 128

Anexo 8

Análisis de GC-MS para el GA3

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